Томас Хертог

О происхождении времени

Последняя теория Стивена Хокинга

Посвящается Наталии

© Масленников К. Л., перевод на русский язык, 2023

© Оформление. ООО «Издательство «Эксмо», 2023

От автора

Наши многочисленные разговоры со Стивеном, продолжавшиеся на протяжении двадцати лет, бережно сохранены и вплетены в ткань повествования. Ссылки на высказывания Стивена, которые появлялись в опубликованном виде, даны в Примечаниях.

Вопрос о происхождении скрывает происхождение вопроса.

Франсуа Жакмен

Предисловие

Дверь кабинета Стивена Хокинга была оливкового цвета. Стивен любил держать ее чуть приоткрытой, хотя в помещении перед его кабинетом вечно было полно народу. Я постучал и вошел, чувствуя себя так, будто перенесся в лишенный времени мир размышлений и созерцания.

Стивен сидел за рабочим столом лицом к двери. Его голова, слишком тяжелая, чтобы держаться прямо, лежала на подголовнике его кресла-каталки. Он медленно поднял глаза и приветствовал меня приглашающей улыбкой, как будто все это время дожидался меня. Сиделка указала мне на стул рядом с ним. Я сел и взглянул на экран настольного компьютера. По нему непрерывно бежала строка экранной заставки: To boldly go where Star Trek fears to tread[1].

Стоял июнь 1998 года. Мы находились глубоко в лабиринте коридоров знаменитого факультета прикладной математики и теоретической физики Кембриджского университета – сокращенно DAMTP. Факультет размещался в скрипучем викторианском здании в районе Олд Пресс на берегу речки Кем. Вот уже почти три десятилетия здесь был базовый лагерь Стивена, место, где сплетались его научные планы и начинания. Именно отсюда он, прикованный к своему креслу и неспособный иногда даже палец поднять, страстно стремился подчинить своей воле космос.

Нил Турок, коллега Стивена, сказал мне, что шеф хочет меня видеть. Это его, Турока, вдохновенный курс лекций, входящий в знаменитую серию курсов по высшей математике, которой славился DAMTP, незадолго до этого возбудил во мне интерес к космологии. Стивен, по-видимому, прослышал об отличных результатах моих экзаменов и захотел взглянуть на меня – может, под его руководством мне удастся написать хорошую диссертацию.

Пыльный, старый кабинет Стивена, заваленный книгами и научными статьями, показался мне уютным. Там были высокий потолок и большое окно, которое, как я позже узнал, Стивен держал открытым даже в пронизывающе холодные зимние дни. На стене у двери висело фото Мэрилин Монро; под ним – вставленная в рамку и надписанная фотография Хокинга, играющего в покер с Эйнштейном и Ньютоном на голопалубе космолета «Энтерпрайз». Справа от нас на стене висели две доски, исписанные математическими символами. На одной я узнал недавно сделанные вычисления, касавшиеся последней разработанной Нилом и Стивеном теории происхождения Вселенной, но рисунки и уравнения на второй, казалось, восходили к началу 1980-х. Может, это были его последние собственноручные каракули?

Тишину нарушило слабое пощелкивание. Стивен заговорил. Больше десяти лет назад он лишился голоса из-за трахеотомии, которую ему пришлось перенести после воспаления легких, и с тех пор мог общаться только посредством бестелесного голоса компьютера. Это делало процесс разговора медленным и трудным.

Рис. 1. Эта доска висела в кабинете Стивена Хокинга в Кембриджском университете как память об организованной им в июне 1980 года конференции по супергравитации.

Исписанная закорючками, рисунками и уравнениями, она представляет собой настоящее произведение искусства и одновременно позволяет заглянуть внутрь абстрактной Вселенной физика-теоретика. Внизу в центре доски виднеется и спина самого Хокинга[2]. (См. рис. 10 на вклейке.)

Собирая последние остатки сил в своих атрофированных мышцах, он слабо надавливал на пощелкивавшее устройство, очень похожее на компьютерную мышку; это устройство ему заранее осторожно положили на правую ладонь. Экран, прилаженный к ручке его кресла-каталки, засветился, устанавливая виртуальную соединительную артерию между его мозгом и внешним миром.

Стивен пользовался компьютерной программой «Эквалайзер» – в нее была встроена лексическая база данных и синтезатор речи. По-видимому, он ориентировался в электронном словаре «Эквалайзера» инстинктивно, ритмично нажимая на кнопку пульта, который как будто танцевал в такт излучению волн его мозга. Экранное меню состояло из букв и часто употребляемых слов. В базу данных программы был включен жаргон, на котором говорят физики-теоретики; программа предвосхищала выбор следующего слова, показывая пять его возможных опций в нижней строке меню. К несчастью, выбор слов основывался на элементарном алгоритме поиска, который не делал различия между обычной разговорной лексикой и строгим языком теоретической физики. Иногда это приводило к уморительным результатам, от «космического микроволнового ризотто» до «дополнительных секс-измерений».

«Андрей утверждает», – появилось на экране ниже меню. Я ждал, затаив дыхание, отчаянно надеясь понять, что за этим последует. Спустя минуту или две Стивен перевел курсор на иконку «Говорите» в левом верхнем углу экрана и электронный голос произнес:

«Андрей утверждает, что вселенных бесконечно много. Это безобразие».

Ну вот – Стивен заговорил.

Андрей – знаменитый советский и американский космолог Андрей Линде, один из отцов-основателей предложенной в начале 1980-х космологической теории инфляции, которая развивает теорию Большого взрыва и постулирует, что Вселенная началась с короткого всплеска сверхбыстрого расширения – инфляции. Позже Линде придумал экстравагантное расширение своей теории, предположив, что инфляция создала не одну, а много вселенных.

ВСЕЛЕННАЯ, КОТОРУЮ МЫ НАБЛЮДАЕМ, ВЫГЛЯДИТ СПРОЕКТИРОВАННОЙ. ПОЧЕМУ ВСЕЛЕННАЯ ТАКАЯ, КАКАЯ ОНА ЕСТЬ? И ПОЧЕМУ В НЕЙ ЕСТЬ МЫ?

Я раньше думал, что Вселенная – это все, что существует. Но сколько же этого «всего»? В схеме Линде то, что мы называли Вселенной, – лишь крупица неизмеримо большей «мультивселенной». Он представлял себе космос как огромную раздувающуюся совокупность бесчисленных отдельных вселенных, лежащих далеко за горизонтами друг друга, подобно островам в бесконечно расширяющемся океане. Космологи ввязались в сумасшедшую авантюрную гонку. И Стивен, самый неугомонный из них, не мог стоять в стороне.

– А нам-то какое дело до других вселенных? – спросил я.

Ответ Стивена прозвучал загадочно.

«Вселенная, которую мы наблюдаем, выглядит спроектированной, – сказал он. Пауза, и пощелкивание возобновилось: – Почему Вселенная такая, какая она есть? И почему в ней есть мы?»

Никто из моих учителей физики никогда не говорил о физике и космологии в таких метафизических выражениях.

– Разве это не чисто философский вопрос? – попробовал я возразить.

«Философия умерла», – сказал Стивен. Глаза его блеснули, как бы приглашая меня к дискуссии.

Я не чувствовал себя готовым к этому разговору, однако не мог не подумать, что отрицание философии странно слышать от Стивена. Ведь он часто – и творчески – пользовался ею в своей работе.

В Стивене была какая-то магия. Оставаясь почти неподвижным, он вдыхал в нашу беседу столько жизни! Он излучал такой магнетизм, такую харизму, какие мне редко случалось видеть. Его широкая улыбка и выразительное лицо, одновременно теплое и озорное, наполняли слова, произносимые механическим голосом робота, обаянием его личности, все глубже погружая меня в космические тайны, над которыми он размышлял.

Он, как дельфийский оракул, виртуозно владел искусством вкладывать многое в несколько слов. Результатом этого был уникальный способ думать и разговаривать о физике – но также, о чем я дальше расскажу, и сама новая физика. Однако при такой лаконичности даже малейшая заминка вроде одного пропущенного слова – частицы «не», к примеру, – могла вызвать, и часто вызывала, досаду и замешательство у собеседника. Мне же в тот день было не до этих шероховатостей – наоборот, я был рад, что, пока Стивен отыскивает нужный символ в «Эквалайзере», у меня есть время подумать над тем, что ему ответить.

Я знал: говоря, что Вселенная кажется спроектированной, Стивен имел в виду необыкновенный наблюдательный факт – из взрывного, катаклизмического акта своего рождения она вышла поразительно хорошо приспособленной для поддержания в себе жизни, возникшей миллиарды лет спустя. Этот простой факт столетиями сводил с ума мыслителей – он и правда выглядит искусственно привнесенным. Дело обстоит почти так, как будто генезис жизни и космоса переплетены друг с другом, как будто космос всегда знал о том, что в один прекрасный день он станет нашим домом. Какой же вывод следует сделать из этого таинственного ощущения умышленности? Это один из главных вопросов, которые люди задают себе о Вселенной, и Стивен глубоко чувствовал, что космологическая теория должна как-то ответить на него. Перспектива разгадки космического «проекта» – или хотя бы надежда на ее достижимость – в значительной степени и были двигателем его работы.

И это само по себе было исключительно необычно. Большинство физиков либо предпочитали избегать таких сложных, казавшихся чисто философскими, вопросов, либо верили в то, что тончайшим образом сконструированная архитектура Вселенной когда-нибудь окажется вытекающей из элегантного математического принципа, лежащего в основе «общей теории всего». Если бы это произошло, видимая конструкция Вселенной стала бы просто счастливой случайностью, непрогнозируемым следствием объективных и безличных законов Природы.

Но ни Стивен, ни Андрей Линде не были обычными физиками. Неохотно полагаясь на красоту абстрактной математики, они чувствовали, что «тонкая настройка» Вселенной, в рамках которой естественно порождается жизнь, указывает на глубочайшую проблему, коренящуюся в самых основах физики. Не удовлетворяясь всего-навсего применением законов Природы, они искали более широкого подхода к физике, в который входило бы исследование самого происхождения этих законов. Такой подход и привел их к размышлениям над Большим взрывом – ведь таинственный «проект» должен был быть заложен в сам процесс рождения Вселенной! И именно в вопросе о рождении Вселенной Стивен и Андрей категорически расходились друг с другом.

Андрей видел космос как гигантское раздувающееся пространство, в котором множество «больших взрывов» непрерывно порождали всё новые вселенные – каждая со своими собственными физическими свойствами, настолько же разными, насколько разной может быть наша земная погода. Нам не следует удивляться, что мы оказались в редком экземпляре благоприятной для жизни Вселенной, утверждал он, – ведь ясно, что мы не могли бы существовать ни в одной из множества вселенных, в которых жизнь невозможна. В мультивселенной Линде любое предположение о каком-то высшем замысле, стоящем за всем сущим, было бы не более чем иллюзией, порожденной ограниченностью наших взглядов на космос.

Стивен утверждал, что идея Линде о «великом космическом расширении», от Вселенной до мультивселенной, была метафизической фантазией, которая ничего не объясняет, – хотя я чувствовал, что как следует доказать этого он не может. Тем не менее я был заинтригован и восхищен тем, что самые выдающиеся космологи мира, категорически не соглашаясь друг с другом, обсуждали столь основополагающие вопросы с такой непоколебимой убежденностью с каждой стороны.

– Но разве Линде не прибегает к антропному принципу как к условию нашего существования, чтобы выделить благоприятную для жизни Вселенную из мультивселенной? – осмелился я подать голос.

Стивен оторвал взгляд от экрана и посмотрел на меня; губы его слегка искривились. Я не понял значения его мимики. Позже я узнал, что она означала полное несогласие. Когда он догадался, что я еще не посвящен в тонкости невербального уровня общения, который был обычным в его «ближнем кругу», он снова перевел взгляд на экран и принялся составлять новое длинное предложение. Точнее, даже два.

«Антропный принцип – это жест отчаяния, – написал он, и мое изумление росло тем сильнее, чем дольше продолжалось пощелкивание машины. – Это прощание со всеми нашими надеждами на понимание скрытого порядка Вселенной на основе научных законов». А вот это уж было совсем неожиданно. Я читал «Краткую историю времени» и хорошо знал, что ранний Хокинг частенько заигрывал с антропным принципом, считая его частью объяснения той Вселенной, которую мы видим. Космолог до мозга костей, он рано оценил значение неожиданной переклички между крупномасштабными физическими свойствами Вселенной и существованием жизни как таковой. И еще в конце 1960-х, работая с Уильямом Коллинзом, он выдвинул – впоследствии оказалось, что ошибочно, – антропный аргумент как объяснение того, почему расширение Вселенной происходит с одной и той же скоростью во всех трех направлениях в пространстве[3]. Выходит, он изменил свой взгляд на полезность антропных соображений в космологии?

Во время медицинской паузы, которая понадобилась Стивену для прочистки его трахеи, я оглядел кабинет. На полке, протянувшейся вдоль всей левой стены, громоздились груды экземпляров «Краткой истории времени», переведенной на всякие экзотические языки. Интересно, от каких еще центральных идей этой книги он отказался? Рядом с «Краткими историями» я заметил целый ряд диссертаций, принадлежавших его бывшим докторантам. Еще в начале 1970-х Стивен основал в Кембридже быстро завоевавшую известность научную школу, участниками которой были принадлежавшие к его постоянно обновлявшемуся «ближнему кругу» аспиранты, докторанты и постдоки.

Названия их диссертаций затрагивали некоторые из самых фундаментальных вопросов, стоявших перед физикой в конце XX века. К 1980-м годам относились работа Брайана Витта «Гравитация: квантовая теория?» и диссертация Реймонда Лафламма «Время и квантовая космология». Название труда Фэй Доукер «Пространственно-временные кротовые норы и фундаментальные постоянные» перенесло меня в начало 1990-х, время, когда Стивен и его сотрудники думали, что кротовые норы – геометрические мосты через пространство – влияют на свойства элементарных частиц. (Позже друг Стивена Кип Торн найдет кротовым норам применение в фильме «Интерстеллар» – через такую нору герой фильма Купер вернется в Солнечную систему.) Справа от Фэй я увидел «Проблемы M-теории» Марики Тэйлор, последней по времени научной «дочки» Стивена. Под его руководством Марика погрузилась в самую гущу «второй струнной революции», как вдруг теория струн переросла в гораздо более масштабную M-теорию, и Стивен наконец начал постепенно проникаться расположением к этой идее.

Все оставшееся место на левой полке занимали два экземпляра книги в толстом зеленом переплете, озаглавленной «Свойства расширяющейся Вселенной». Это была докторская диссертация самого Стивена, написанная еще в середине 1960-х, во времена, когда большая рупорная радиоантенна лаборатории «Белл телефон» зарегистрировала первые радиоотголоски горячего Большого взрыва в виде очень слабого микроволнового излучения. В своей диссертации Стивен показал: если теория тяготения Эйнштейна верна, само существование этих отголосков означало, что у времени должно было быть начало. И как же это совмещалось с мультивселенной Андрея Линде, о которой мы только что говорили?

Справа от книги Стивена я заметил «Гравитационное излучение и гравитационный коллапс» Гэри Гиббонса. Он был первым докторантом Стивена, и было это в начале 1970-х, когда американский физик Джо Вебер объявил, что регистрирует частые всплески гравитационных волн, идущие из центра Млечного Пути. Измеренная им интенсивность гравитационного излучения была огромной: выходило, что Галактика теряет массу со скоростью, которая никак не могла бы сохраняться на протяжении длительного времени. Будь это так, очень скоро от Галактики не осталось бы ничего. Захваченные решением этого парадокса, Стивен и Гэри тешились идеей постройки своего собственного приемника гравитационных волн на базе DAMTP. От этой затеи их спасло чудо: слухи о гравитационных волнах в тот раз оказались ложными. Должно было пройти еще сорок лет, пока лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория LIGO не добьется наконец успеха и не зарегистрирует эти неуловимые вибрации, рябь в океане пространства-времени.

Обычно Стивен брал по одному новому аспиранту каждый год. Они работали с ним над одним из его очень рискованных, но и необыкновенно многообещающих проектов: либо в области черных дыр – звезд, сколлапсировавших под горизонт событий, либо с тем, что касалось Большого взрыва. Стивен старался чередовать эти темы, поручая одному студенту работать над черными дырами, а следующему – над Большим взрывом, чтобы в любое время интересы его аспирантов покрывали оба главных направления исследований. Для Стивена черные дыры и Большой взрыв образовывали как бы инь и ян – противоположные, но переходящие друг в друга начала. Многие из его ключевых идей, касавшихся Большого взрыва, впервые возникли именно в контексте исследований черных дыр.

И в недрах черных дыр, и в ходе Большого взрыва макромир гравитации буквально сливается с микромиром атомов и частиц. В этих экстремальных условиях релятивистская теория тяготения Эйнштейна и квантовая теория должны работать в сочетании друг с другом. Беда в том, что объединить их не получается – и это, по общему мнению, остается одной из главных нерешенных задач физики. Взять, например, радикально различный подход этих теорий к причинности и детерминизму. Теория Эйнштейна придерживается старого детерминизма Ньютона и Лапласа; квантовая теория содержит фундаментальный элемент неопределенности и случайности. Понятие детерминизма сохраняется в ней лишь в усеченной форме – в нем не более половины того содержания, которое вкладывал в него Лаплас. За прошедшие годы «гравитационная группа» Стивена и ее рассеянная по всему миру диаспора сделали больше, чем какой-либо другой исследовательский коллектив в мире для демонстрации глубоких концептуальных вопросов, которые возникают, когда кто-то пытается сочетать очевидно противоречащие друг другу принципы этих двух физических теорий в рамках единой гармоничной концепции.

Тем временем со Стивеном «разобрались», как называла эту процедуру его сиделка, и снова раздалось пощелкивание клавиатуры. (В тот день наша беседа еще раз прервалась на контрольный просмотр эпизода «Симпсонов», который должен был выйти с участием Стивена.)

«Я хочу, чтобы вы поработали со мной над квантовой теорией Большого взрыва…»

Ага, значит, я, по всей видимости, появился в поле зрения Стивена в «год Большого взрыва».

«…и разобрались с этой мультивселенной».

Он поднял на меня глаза и широко улыбнулся. Глаза снова блеснули. Все было ясно. Нам предстояло «разобраться» с проблемой мультивселенной не философствованием и не привлечением антропного принципа, а глубоким внедрением квантовой теории в космологию. Его предложение прозвучало как обыденная тема домашнего задания. Но, хотя по выражению его лица я понимал, что мы, по сути, уже начали работать, у меня не было ни малейшего представления о том, каким курсом отправится в полет космический корабль «Хокинг».

«Я умираю…»

Прочитав это на экране, я похолодел и бросил отчаянный взгляд на сиделку, тихо примостившуюся с книгой в руках в уголке кабинета. Потом опять взглянул на Стивена. Насколько я мог судить, он выглядел как обычно. Щелканье возобновилось.

«…очень… хочется… чашечку… чаю».

Дело происходило в Британии. Было четыре часа дня.

Вселенная или мультивселенная? Задуманная (кем?) или нет? Ответу на этот роковой вопрос нам предстояло посвятить двадцать лет. Одно «домашнее задание» влекло за собой другое, и вскоре Стивен и я оказались в эпицентре самого жаркого спора в теоретической физике первой части XXI века. Хотя почти у каждого ученого было свое мнение о мультивселенной, никто даже примерно не представлял, что из него можно извлечь. То, что началось как тема моей докторской диссертации под научным руководством Стивена Хокинга, превратилось в увлекательное интенсивное сотрудничество, закончившееся только с уходом Стивена 14 марта 2018 года.

В нашей работе на кону была не только природа Большого взрыва – загадки, лежащей в сердце всего сущего, но и более глубокий смысл самих законов природы. Что в конечном счете космология рассказывает нам о мире? Как в этот мир вписываемся мы сами? Такие размышления выводят физику далеко за пределы ее «зоны комфорта». Но именно в такие дела Стивен и любил ввязываться. Именно здесь его несравненная интуиция, закаленная десятилетиями глубочайших космологических исследований, оказывалась пророческой.

Ранний Хокинг, как множество ученых до него, рассматривал фундаментальные физические законы как вечные и неизменные истины. «Если мы сумеем построить полную теорию… мы будем знать мысли Бога», – писал он в «Краткой истории времени». Однако с тех пор миновало больше десяти лет, и во время нашей первой встречи – а в затылок нам дышала мультивселенная Линде – я почувствовал, что в этой его уверенности появилась трещинка. Действительно ли физика дает нам основания свыше для описания начала времени в момент Большого взрыва? И нужны ли нам эти основания?

Нам еще предстояло понять, что платоновский маятник в теоретической физике к тому времени качнулся слишком далеко. Когда мы прослеживаем историю Вселенной назад, до самого ее начала, мы натыкаемся на более глубокий уровень эволюции, уровень, на котором сами физические законы начинают изменяться и эволюционировать, – это можно назвать метаэволюцией. В первичной Вселенной происходит трансмутация физических законов в процессе случайных изменений и отбора, похожего на дарвиновскую эволюцию: частицы, силы и, утверждаем мы, даже время постепенно растворяются в горниле Большого взрыва. Стивен и я пришли к тому, что стали воспринимать Большой взрыв не только как начало времени, но и как источник физических законов. В центре нашей космогонии лежит новая физическая теория происхождения Большого взрыва, которое, как мы осознали, в свою очередь содержит в себе происхождение теории.

Работа со Стивеном была путешествием не только к пределам пространства и времени, но также и вглубь его сознания – вглубь того, что делало Стивена Стивеном. Совместный поиск сближал нас. Он был настоящим искателем. Никому рядом с ним не удавалось избежать воздействия его стальной настойчивости и оптимистической уверенности в том, что мы сможем решить все эти окруженные тайной космические вопросы. Со Стивеном мы чувствовали себя так, как будто пишем историю нашего собственного сотворения, – что в некотором смысле мы и делали.

И физика превратилась в настоящий карнавал! Со Стивеном невозможно было понять, где кончается работа и начинаются развлечения. Его ненасытная страсть к пониманию могла сравниться только с его жаждой жизни и любовью к приключениям. В апреле 2007 года, через пару месяцев после своего шестидесятипятилетия, он отправился в полет на «Боинге-727», специально оборудованном для создания невесомости на борту. Он рассматривал это как прелюдию к полету в космос! А его врачи паниковали, когда он пересек Ла-Манш в скоростном поезде «Евростар», чтобы погостить у меня в Бельгии.

Он окончательно потерял голос и был так слаб, что едва мог пошевелить пальцем, – и при этом сделался крупнейшим популяризатором и просветителем нашего времени. Его вдохновляло глубокое ощущение, что мы – часть грандиозной схемы, зашифрованной в строении мироздания и как будто ждущей, когда мы ее откроем; и свою радость открытий он разделил с аудиторией всего мира. В самый разгар нашей совместной работы он написал книгу «Великий замысел», которая отражала владевшее нами тогда замешательство. В ней Стивен по косточкам разбирает антропный принцип, концепцию мультивселенной и идею «окончательной теории всего», вплоть до ее соперничества с божественным сотворением Вселенной. Но в «Великом замысле» есть и первые очертания новой космологической парадигмы, которая окончательно кристаллизуется в нашей работе спустя несколько лет.

Незадолго до смерти Стивен сказал мне, что пора писать новую книгу. Вот эта книга. В следующих главах я опишу наше путешествие к Большому взрыву и внутрь него. Я расскажу, как это путешествие в конце концов привело Хокинга к опровержению концепции мультивселенной, к замене ее новым поразительным взглядом на происхождение времени, глубоко дарвинистским по духу и природе, и к предложению радикально нового понимания великого космического замысла.

В путешествии нас часто будет сопровождать американский физик Джим Хартл, давний сотрудник Стивена, с которым в начале 1980-х они заложили основы квантовой космологии. За годы совместной работы друзья приобрели особую способность видеть Вселенную сквозь квантовый объектив. Квантовое мышление оказало влияние даже на язык их общения – как будто между ними установилась отдельная от прочих вербальная связь. Например, говоря «Вселенная», космологи обычно подразумевают звезды, галактики и огромное пространство вокруг нас. Когда слово «Вселенная» употребляли Джим или Стивен, они имели в виду абстрактную квантовую Вселенную, погруженную в океан неопределенности, со всеми ее возможными историями, сосуществующими в форме некоей суперпозиции. Но именно это насквозь квантовое видение физической реальности в конечном счете и сделало возможной дарвинистскую революцию в космологии. Поздний Хокинг относился к квантовой теории серьезно – и даже очень серьезно. Он решил, что именно ее следует придерживаться при пересмотре картины Вселенной на самых больших масштабах. Именно квантовая космология станет тем полем исследований, на переднем крае которого Стивен оставался до конца жизни.

В период нашего сотрудничества в какой-то момент Стивен утратил остатки сил, еще позволявших его руке нажимать на кликер, при помощи которого он поддерживал разговор. Тогда он перешел на инфракрасный датчик, вмонтированный в оправу его очков и приводимый в действие легким подергиванием щеки. Но скоро и это стало ему не под силу. Темп общения замедлился от нескольких слов в минуту до нескольких минут на одно слово, а потом и вовсе сошел на нет – именно тогда, когда потребность в его слове стремительно выросла[4]. Самый прославленный апостол науки во всем мире лишился речи. Но Стивен не желал сдаваться. Наша интеллектуальная связь настолько углубилась за годы тесного сотрудничества, что мы с ним все дальше выходили за пределы словесного общения. Забыв об «Эквалайзере», датчиках и кликерах, я устраивался перед ним так, чтобы наверняка оказаться в его поле зрения, и начинал бомбардировать вопросами. Глаза Стивена ярко вспыхивали, когда мои аргументы резонировали с его интуицией. Тогда мы развивали найденную тему, продвигаясь вперед при помощи общего языка и взаимопонимания, сформировавшихся за годы сотрудничества. Именно в этих «беседах» медленно, но неуклонно рождалась последняя и окончательная созданная Стивеном теория Вселенной.

В науке бывают критические распутья, когда на первый план – нравится нам это или нет – выходят метафизические соображения. На таких путевых развилках мы постигаем что-то очень глубокое и фундаментальное, что имеет отношение не только к путям Природы, но и к условиям, которые делают наши занятия наукой возможными и имеющими какую-то ценность, и к мировоззрению, к которому наши открытия могут привести. Поиск физических факторов, которые делают Вселенную пригодной для жизни, привели нас к такой критической развилке. Ведь в основе своей это гуманистический вопрос, далеко выходящий за пределы науки, – вопрос о нашем происхождении. Стержень последней созданной Стивеном теории Вселенной – небывало глубокое осознание того, что значит быть человеком в этом приспособленном для жизни космосе, управлять планетой Земля и нести ответственность за нее. И уже по одной этой причине эта теория может в конечном счете оказаться его главным научным наследием.

СТЕРЖЕНЬ ПОСЛЕДНЕЙ СОЗДАННОЙ СТИВЕНОМ ТЕОРИИ ВСЕЛЕННОЙ – НЕБЫВАЛО ГЛУБОКОЕ ОСОЗНАНИЕ ТОГО, ЧТО ЗНАЧИТ БЫТЬ ЧЕЛОВЕКОМ В ЭТОМ ПРИСПОСОБЛЕННОМ ДЛЯ ЖИЗНИ КОСМОСЕ, УПРАВЛЯТЬ ПЛАНЕТОЙ ЗЕМЛЯ И НЕСТИ ОТВЕТСТВЕННОСТЬ ЗА НЕЕ.

Глава 1

Парадокс

Любопытная аналогия кроется в том, что даже у самого большого телескопа размер окуляра не больше человеческого глаза.

Людвиг Витгенштейн, «Культура и ценность»

Конец 1990-х стал кульминацией «золотого десятилетия» космологических открытий. Космология, невероятная наука, изучающая – ни много ни мало – происхождение, эволюцию и судьбу Вселенной в целом и долго считавшаяся царством неограниченных спекуляций, достигла, наконец, зрелости. Мировое научное сообщество кипело от возбуждения, вызванного ошеломляющими данными наблюдений как с борта оснащенных сложнейшим оборудованием спутников, так и при помощи наземных инструментов. Эти данные изменили нашу картину Вселенной до полной неузнаваемости. Казалось, Вселенная заговорила с нами. Теоретикам был брошен вызов – теперь они могли доказать справедливость своих абстрактных моделей и вытекающих из них предсказаний или признать свою неправоту.

В космологии мы исследуем прошлое Вселенной. Космологов можно назвать путешественниками во времени, а телескопы – их транспортным средством: заглядывая в глубины пространства, мы видим далекое прошлое. Ведь прежде чем достичь нас, свет далеких звезд и галактик шел миллионы или даже миллиарды лет. Еще в 1927 году бельгийский аббат и астроном Жорж Леметр предсказал, что пространство, если рассматривать его на таких больших временных периодах, расширяется. Но только в 1990-х передовая техника телескопических наблюдений позволила проследить историю расширения Вселенной.

Эта история таила в себе неожиданности. Например, в 1998 году астрономы обнаружили, что примерно пять миллиардов лет назад расширение пространства начало ускоряться – хотя во всех своих известных формах материя обладает свойством притяжения, и, следовательно, расширение должно замедляться. С тех пор физики пытаются понять, не связано ли это странное космическое ускорение с эйнштейновской космологической постоянной и не является ли оно чем-то вроде невидимой эфироподобной «темной энергии», из-за которой у гравитации появляется свойство отталкивания вместо притяжения? «Похоже, Вселенная может оказаться похожей на Лос-Анжелес, – пошутил один астроном, – в ней на треть субстанции и на две трети энергии».

Очевидно: если Вселенная сейчас расширяется, в прошлом она должна была находиться в более сжатом состоянии. Если пустить космическую историю задом наперед – конечно, в виде теоретического упражнения, – то получится, что все вещество в какой-то момент окажется очень плотно упакованным в малом объеме пространства и к тому же очень горячим; ведь при сильном сжатии вещество разогревается и начинает излучать. Такое первичное состояние известно под названием горячего Большого взрыва. Астрономические наблюдения, начавшиеся в «золотые 1990-е» и продолжающиеся до сих пор, позволили определить возраст Вселенной, или время, прошедшее с момента Большого взрыва: 13,8 миллиарда плюс-минус 20 миллионов лет.

Желание узнать больше о рождении Вселенной росло, и в мае 2009 года Европейское космическое агентство (ESA) запустило спутник, задачей которого было наиболее полное и детальное из всех, когда-либо проводившихся, сканирование ночного неба. В результате планировалось построить карту распределения флюктуаций таинственного теплового излучения, оставшегося от Большого взрыва. Пропутешествовав в расширяющемся космическом пространстве 13,8 миллиарда лет, жар от рождения Вселенной достигает нас уже остывшим до 2, 725 K, или примерно до минус 270 °C. При такой температуре излучение лежит в основном в микроволновом участке электромагнитного спектра, и поэтому остаточное тепло называют космическим микроволновым фоном, или CMB-излучением.

Усилия, прилагаемые ESA для того, чтобы уловить и описать это древнее, «реликтовое» тепло, достигли кульминации в 2013 году. На первых полосах всех газет мира появилась причудливая пятнистая картина, напоминающая полотно художника-пуантилиста. Это изображение мы видим на рис. 2, и это не что иное, как составленное из миллионов пикселей необыкновенно подробное распределение по всему небу, по всем направлениям в пространстве температуры реликтового CMB-излучения. Можно сказать, что это детальная фотография Вселенной, какой она была примерно через 380 000 лет после Большого взрыва, когда остыла до нескольких тысяч градусов – достаточно, чтобы выпустить на свободу первичное излучение, которое с тех пор, не удерживаемое больше ничем, путешествовало в космосе.

Столь подробные наблюдения CMB-излучения подтвердили, что реликтовое тепло Большого взрыва распределено в пространстве почти – хоть и не идеально – равномерно. «Пятнистость» изображения отражает микроскопически малые различия температуры, крохотные ее колебания, не превышающие стотысячной доли градуса. Но эти мельчайшие вариации критически важны: они отражают положения первичных конденсаций вещества, вокруг которых в конце концов стали формироваться галактики. Ведь если бы область горячего Большого взрыва была полностью однородной, никаких галактик сейчас бы не было.

Рис. 2. Послесвечение горячего Большого взрыва. Это тепловая карта неба на микроволновых частотах, построенная по данным названного в честь основателя квантовой физики Макса Планка спутника «Планк» Европейского космического агентства. Сгущения различных оттенков серого соответствуют малым изменениям температуры реликтового космического микроволнового излучения, приходящего к нам с разных направлений на небе. На первый взгляд распределение этих температурных флюктуаций выглядит случайным, но тщательный анализ выявил в нем структуры, связывающие друг с другом различные участки карты. Исследуя эти структуры, космологи могут реконструировать историю расширения Вселенной, построить модель образования в ней галактик и даже предсказать ее будущее.

Карта CMB отмечает положение нашего космологического горизонта, дальше которого мы заглянуть не можем. Но, опираясь на наши космологические теории, мы можем по крупицам восстановить ход процессов, происходивших в еще более ранние эпохи. Как палеонтологи по окаменелостям догадываются, какими были на Земле в далеком прошлом формы жизни, так и космологи, расшифровывая структуры, объединяющие температурные неоднородности, сохранившиеся за миллиарды лет, способны воспроизвести процессы, в ходе которых реликтовая тепловая картина отпечаталась на нашем небе. Карта реликтового CMB-излучения стала космологическим Розеттским камнем, который позволяет нам проследить историю Вселенной далеко назад – возможно, даже понять, какой она была спустя мельчайшие доли секунды после рождения.

И то, что мы узнали, оказалось удивительным. Как мы увидим в Главе 4, структуры, закодированные в карте вариаций температуры CMB-излучения, показывают, что Вселенная сначала расширялась очень быстро, потом замедлилась, а не так давно (около пяти миллиардов лет назад) опять начала ускоряться. На масштабах, соответствующих самым большим глубинам времени и пространства, это замедление кажется скорее исключением, чем правилом, одной из необъяснимых счастливых случайностей, сделавших нашу Вселенную благоприятной для жизни. Ведь только в замедляющейся Вселенной вещество способно накапливаться и концентрироваться, образуя галактики. Не будь этой паузы в расширении Вселенной, не существовало бы ни галактик, ни звезд, ни самой жизни.

Получилось так, что история расширения Вселенной сыграла главную роль в одной из первых попыток вписать наше существование в современную космологическую парадигму. В начале 1930-х Леметр в одном из своих маленьких пурпурных блокнотиков сделал примечательный набросок того, что он называл «нерешительной» Вселенной – Вселенной с историей расширения, очень похожей на тот ухабистый путь, который постепенно вырисуется из наблюдений спустя семьдесят лет[5] (см. рис. 3 на вклейке). Леметр пришел к идее о долгой паузе в расширении Вселенной, раздумывая над вопросом о ее приспособленности для жизни. Он знал: астрономические наблюдения соседних галактик указывали на то, что в последнее время скорость расширения Вселенной была высокой. Но когда он обратил эволюцию Вселенной назад во времени, то оказалось, что при такой скорости все галактики должны были всего какой-то миллиард лет назад столпиться в одной области пространства. Это, конечно, было невозможно – ведь и Земля, и Солнце были гораздо старше. Чтобы избежать очевидного противоречия между историями Вселенной и Солнечной системы и дать звездам, планетам и жизни время на развитие, Леметр предположил, что в истории Вселенной должна была быть эра очень медленного расширения.

КАК ПАЛЕОНТОЛОГИ ПО ОКАМЕНЕЛОСТЯМ ДОГАДЫВАЮТСЯ, КАКИМИ БЫЛИ НА ЗЕМЛЕ В ДАЛЕКОМ ПРОШЛОМ ФОРМЫ ЖИЗНИ, ТАК И КОСМОЛОГИ, РАСШИФРОВЫВАЯ СТРУКТУРЫ, ОБЪЕДИНЯЮЩИЕ ТЕМПЕРАТУРНЫЕ НЕОДНОРОДНОСТИ, СОХРАНИВШИЕСЯ ЗА МИЛЛИАРДЫ ЛЕТ, СПОСОБНЫ ВОСПРОИЗВЕСТИ ПРОЦЕССЫ, В ХОДЕ КОТОРЫХ РЕЛИКТОВАЯ ТЕПЛОВАЯ КАРТИНА ОТПЕЧАТАЛАСЬ НА НАШЕМ НЕБЕ.

На протяжении нескольких десятилетий после пионерской работы Леметра физики продолжали натыкаться еще на многие другие «счастливые совпадения», делающие Вселенную поразительно благоприятной для жизни. Достаточно было бы малейшего изменения почти в любом из основных ее физических свойств, от поведения атомов и молекул до структуры космоса на самых больших масштабах, чтобы обитаемость Вселенной повисла на волоске.

Возьмем хотя бы тяготение, силу, которая формирует крупномасштабную структуру Вселенной. Действие гравитации крайне слабое: требуется огромная масса Земли, чтобы удерживать нас на ее поверхности. Но будь сила всемирного тяготения чуточку больше, звезды сгорали бы быстрее и умирали бы раньше, не оставляя времени для развития сложных форм жизни ни на какой из планет, обращающихся вокруг них и согреваемых их теплом.

Или рассмотрим мельчайшие – в одну стотысячную долю градуса – вариации температуры реликтового излучения Большого взрыва. Будь они хоть немного больше – скажем, в одну десятитысячную долю градуса, – и зерна, из которых выросли космические структуры, разрослись бы в гигантские черные дыры, а не в галактики с миллионами пригодных для обитания звезд. И напротив, если бы эти вариации оказались чуть меньше – в одну миллионную градуса или еще меньше, – никаких галактик не могло бы образоваться вообще. Горячий Большой взрыв был ровно таким, каким надо. Тем или иным способом он вывел Вселенную на исключительно благоприятную для жизни траекторию, причем результаты такой «настройки» стали видны спустя несколько миллиардов лет. Как это объяснить?

Налицо и множество других примеров «счастливых совпадений». Мы живем во Вселенной с тремя измерениями пространства. Есть ли что-то особенное в том, что их именно три? Да, есть. Добавим еще одно измерение пространства – атомы и планетные орбиты станут неустойчивыми. Вместо того чтобы обращаться вокруг Солнца по устойчивой орбите, Земля по спирали врежется в него. У Вселенной с пятью или с еще большим числом измерений пространства проблем будет еще больше. С другой стороны, в мирах лишь с двумя пространственными измерениями могло бы не оказаться достаточно места для нормального функционирования сложных систем, как видно из рис. 3. Три измерения пространства – это, похоже, как раз столько, сколько нужно для того, чтобы жизнь была возможна.

Рис. 3. Во Вселенной, имеющей только два пространственных измерения, жизни трудно возникнуть, не говоря уж о том, чтобы развиваться. Как, например, в таком мире охотиться и питаться?

Необъяснимое дружелюбие, которое Вселенная проявляет к жизни, распространяется и на ее химические свойства, определяемые параметрами элементарных частиц и сил, действующих между ними. Например, нейтроны чуточку тяжелее протонов: отношение массы нейтрона к массе протона 1,0014. Будь это отношение обратным, все протоны во Вселенной после Большого взрыва очень скоро превратились бы в нейтроны. А без протонов не было бы атомных ядер – значит, не было бы ни атомов, ни самой химии.

Другой пример: образование углерода в звездах. Насколько нам известно, углерод очень важен для жизни. Но Вселенная не родилась с запасом углерода: он образуется в ходе ядерного синтеза в недрах звезд. В 1950-х британский космолог Фред Хойл заметил, что эффективность синтеза углерода из гелия в звездах основывается на хрупком равновесии между сильным ядерным взаимодействием, связывающим атомные ядра, и электромагнитной силой. И если бы сильное взаимодействие было бы на очень малую долю – всего на несколько процентов – сильнее или слабее, то энергии связи ядер изменились бы, синтез углерода замедлился, и Вселенная оказалась бы лишена углеродной жизни. Это казалось Хойлу настолько странным, что, по его словам, Вселенная выглядит результатом какой-то «подтасовки» – как будто «некий сверхразум взялся озорничать с физикой, а заодно и с химией, и с биологией»[6].

Но самой загадочной частью «тонкой настройки» Вселенной в пользу жизни выглядит ситуация с темной энергией. Измеренная нами плотность темной энергии крайне низка: в 10-123 раз меньше, чем та, которую многие физики склонны считать ее естественным значением. Но именно эта малость и заставила Вселенную оставаться «нерешительной» примерно восемь миллиардов лет, пока темной энергии не накопилось достаточно, чтобы ускорить расширение Вселенной. Уже в 1987 году Стивен Вайнберг указал, что если бы плотность темной энергии была хоть чуть-чуть больше, составив, скажем, 10-121, а не 10-123, то вызванные ею силы отталкивания были бы выше и подействовали бы раньше – и это опять-таки закрыло бы окно космических возможностей для образования галактик[7].

Короче говоря, как и подчеркивал Стивен в том нашем первом разговоре, все выглядит так, будто Вселенная каким-то образом специально подготовлена для появления в ней жизни. Знаменитый писатель и физик-теоретик Пол Дэвис имел в виду именно это, говоря о «космическом факторе Златовласки»[8]: «Как “правильная” тарелка с овсянкой в сказке о Златовласке и трех медведях, Вселенная в очень многих отношениях загадочным образом выглядит в точности “правильной” для жизни»[9]. И хоть это вовсе не значит, что космос должен прямо-таки кишеть жизнью, уже сама возможность ее зарождения во Вселенной в результате особенностей «тонкой настройки» доказывает, что эти особенности – не какие-то поверхностные, необязательные свойства мира. Нет, они глубоко встроены в законы физики, имеющие форму математических соотношений. Массы и другие параметры систем частиц, силы, управляющие их взаимодействиями, и даже общая структура Вселенной – все это кажется специально тщательно скроенным для того, чтобы поддерживать некоторую форму жизни. И это отражается в специфическом характере математических уравнений, определяющих то, что физики зовут законами Природы.

Итак, глубочайшая загадка «космологического замысла» состоит в том, что фундаментальные законы физики поразительно благоприятны для возникновения жизни – будто существует скрытый сценарий, в рамках которого в основные законы, управляющие Вселенной, вплетено наше существование. Это кажется невероятным. И это в самом деле невероятно! Что же это за сценарий?

Здесь я должен подчеркнуть всю необычность этой загадки для физиков-теоретиков. Обычно физики используют законы природы, чтобы описать то или иное явление или предсказать исход эксперимента. Кроме того, они пытаются обобщить существующие законы, чтобы объять ими более широкий диапазон природных явлений. Но вопросы о существовании «замысла» уводят нас по совсем другому пути, на котором нам приходится размышлять о природе и глубоком происхождении самих законов и о том, как мы вписываемся в их рамки. Волнующая суть космологии заключается в том, что она обеспечивает научный контекст, в котором мы можем надеяться пролить свет на эту величайшую из всех загадок. Ведь космология – единственная область физики, где мы сами оказываемся неотъемлемой частью задачи, которую пытаемся решить.

Исторически само видимое устройство мира принимается за свидетельство того, что все, что происходит в природе, имеет одну основную цель. Это воззрение восходит к Аристотелю, возможно, самому влиятельному из всех когда-либо живших философов. Глубокий биолог, Аристотель считал, что многие процессы, порождающие и организующие мир живого, кажутся полными умысла и намерения. Если лишенные разума живые организмы имеют жизненную программу, рассуждал он, то должна существовать и Конечная Цель, направляющая развитие космоса как целого. Телеологическая аргументация Аристотеля была убедительной, логичной, дающей надежду, и до некоторой степени подтверждалась эмпирически. Весь мир вокруг нас полон бесконечными примерами достижения целей – от птички, собирающей веточки для постройки гнезда, до пса, роющего землю в саду, чтобы достать кость. И нет ничего удивительного в том, что телеологические взгляды Аристотеля просуществовали, мало кем оспариваемые, почти два тысячелетия.

Однако в XVI столетии на окраине Евразийского континента работы небольшого круга ученых стали началом современной научной революции. Коперник, Декарт, Бэкон, Галилей и их современники подчеркивали, что наши чувства могут нас обманывать. Эти ученые любили употреблять формулу Ignoramus[10], которая буквально значит «мы не знаем». Такой сдвиг парадигмы мышления имел далекоидущие последствия – некоторые считают его вообще самым значимым и влиятельным интеллектуальным преобразованием за те примерно 200 000 лет, в течение которых люди населяют эту планету. Вся его глубина до сих пор еще не раскрыта. Немедленным следствием этого научного прорыва, по крайней мере в ученых кругах, было развенчание глубоко укоренившегося телеологического мировоззрения Аристотеля и замена его идеей рациональных законов, управляющих природой, действующих здесь и сейчас, доступных открытию и пониманию. Глубинная суть современной науки в том, что, признавая свое незнание, мы можем добыть новое знание – экспериментируя, наблюдая, разрабатывая математические модели, которые организуют наши наблюдения в рамках общих теорий и вытекающих из них законов.

Научная революция парадоксальным образом углубила загадку благорасположения Вселенной к жизни. До наступления революции в построенной человеком концепции мироздания можно было найти некоторое единство. Предполагалось, что как одушевленный, так и неодушевленный миры в своем развитии подчинялись всеобъемлющей цели – божественной или нет. Устройство мира виделось как проявление грандиозного космического плана, в котором, естественно, привилегированная роль принадлежала человеку. К примеру, древняя модель мира, построенная александрийским астрономом Птолемеем в его труде «Альмагест», была настолько же геоцентрической, насколько и антропоцентрической.

Но с приходом научной революции фундаментальная природа связи жизни с физической Вселенной стала вызывать недоумение. Это недоумение явственно проявляется и сейчас, спустя почти пять столетий, – проявляется в изумлении перед тем, что полагаемые объективными, безличными, вневременными законы физики почти идеально приспособлены к существованию жизни. Получается, что, успешно устранив старинную дихотомию между небесами и Землей, современная наука создала на ее месте новую непреодолимую линию раздела между мирами живого и неживого и оставила в понимании человеком его места в грандиозной картине космоса грызущую неопределенность.

Лучше представить, как взгляды на онтологию законов природы пришли к своей нынешней форме, нам поможет обращение к самым глубоким корням идеи о существовании таких законов. Самые первые представления о законах, управляющих Природой, возникли в VI веке до н. э. в Милете, на территории нынешней Западной Турции, в ионической школе Фалеса. Милет, самый богатый из городов древнегреческой Ионии, был основан в естественной бухте близ места, где река Меандр впадает в Эгейское море. Живший здесь легендарный мыслитель Фалес, совсем как современные ученые, пытался заглянуть за внешнюю поверхность явлений природного мира, чтобы достичь более глубокого уровня знаний. Ученик Фалеса Анаксимандр создал то, что греки стали называть, «исследование Природы», то есть физику.

Рис. 4. Рельеф, изображающий древнегреческого философа Анаксимандра из Милета. Двадцать шесть столетий назад Анаксимандр заложил основы долгого и извилистого пути научного осмысления мира.

Анаксимандра часто называют отцом космологии. Он первым стал думать о Земле как о планете, гигантском камне, свободно плавающем в пустом пространстве. Он учил, что Земля у нас под ногами не беспредельна и не покоится на гигантских колоннах, но что ее со всех сторон окружает то же самое небо, которое мы видим у себя над головой. Таким образом, Анаксимандр открыл глубину космоса, превратил его из закрытого ларца – ограниченного сверху небесной, а снизу земной твердью – в открытое пространство. Этот принципиальный сдвиг позволил представить небесные тела обращающимися вокруг Земли со всех сторон. Так был проложен путь к древнегреческой астрономии. Анаксимандр написал трактат «О природе», впоследствии утраченный. Однако, как предполагают, в нем содержался следующий стихотворный фрагмент[11]:

Все предметы происходят друг из друга

и исчезают друг в друге,

следуя необходимости;

Ибо они воздают друг другу справедливость

и возмещают свою несправедливость

Сообразно с велением времени.

В этих нескольких строках Анаксимандра ясно выражена революционная идея: Природа ни самопроизвольна, ни абсурдна, но управляется некоторым видом закона. Это стало основным положением науки: под видимой поверхностью естественных явлений скрывается абстрактный, но самосогласованный порядок.

Анаксимандр не уточнил, какую именно форму могут принимать законы Природы, – он ограничился аналогией с гражданскими законами, регулирующими жизнь человеческих обществ. Но самый известный из его учеников, Пифагор, предложил для мирового порядка математическую основу. Пифагорейцы считали, что числа обладают мистическим значением, и пытались построить весь космос из чисел. Их главную идею – что мир можно описать на языке математики – воспринял и стал отстаивать Платон, который сделал ее одним из устоев своей теории Истины. Мир нашего опыта Платон уподоблял миру теней некоей высшей реальности, определяемой идеальными математическими формами и существующей совершенно отдельно от воспринимаемой нами. Древние греки, таким образом, пришли к мысли, что, хоть мы и неспособны непосредственно ощущать или видеть скрытый мировой порядок, мы можем познать его путем логических умозаключений.

Но какое бы сильное впечатление ни производили на нас умозрительные рассуждения древних о природе, они имеют очень мало общего с современной физикой, и не только по существу, но и по методу и стилю. Прежде всего свои заключения древнегреческие философы основывали почти целиком на почве эстетики и на априорных предположениях, почти не пытаясь – или даже вообще не пытаясь – их как-то проверить. Мысль об этом просто не приходила им в голову. Поэтому их концепция «физики» и системы «законов», лежащей в основе всего сущего, ничем не напоминает современную научную теорию. Стивен Вайнберг в своей последней книге «Объяснить мир» утверждает, что с современной точки зрения древнегреческих мыслителей лучше представлять не как физиков, ученых или даже философов, но как поэтов – настолько фундаментально их методология отличается от того, что сегодня понимается под научной деятельностью. Конечно, и современные физики находят красоту в своих теориях, и большинство из них тоже руководствуется в исследованиях эстетическими соображениями, но эта сторона дела не заменяет процесса проверки правильности теорий посредством экспериментов и наблюдений – именно они в конечном счете и являются ключевым фактором научной революции.

И тем не менее стремление Платона к «математизации» мира оказало невероятно глубокое воздействие. И когда двадцать столетий спустя грянула современная научная революция, ее главные действующие лица вдохновлялись верой в платоновскую программу поиска скрытого порядка, лежащего в основе физического мира и выраженного на языке математических соотношений. «Великую книгу Природы, – писал Галилей, – могут читать только те, кто владеет языком, на котором она написана. И язык этот – математика»[12].

Исаак Ньютон, алхимик, мистик, сложная личность и один из сильнейших математиков, когда-либо живших на Земле, в концентрированном виде представил математический подход к натурфилософии в своих «Началах» – пожалуй, самой важной книге в истории науки. Тому, что Ньютон начал ее писать, способствовала его вынужденная изоляция во время карантина, связанного с эпидемией чумы в 1665 году. Занятия в Кембриджском университете прекратились, и Ньютон, новоиспеченный бакалавр, возвратился в Линкольншир, в окруженный яблоневым садом дом своей матери. Там он размышлял о математическом анализе, гравитации и движении, а еще разложил при помощи призмы белый свет на все цвета радуги. Но лишь в апреле 1686 года Ньютон представил Королевскому обществу для публикации свои «Математические начала натуральной философии», содержащие три закона движения и закон всемирного тяготения. Последний – возможно, самый знаменитый из всех законов природы – утверждает, что сила притяжения, действующая между двумя телами, пропорциональна массам этих тел и уменьшается как квадрат расстояния между ними.

В «Началах» Ньютон показал, что одни и те же универсальные принципы лежат в основе механизмов как мира горнего, так и окружающего нас несовершенного мира человеческого. Эта идея обозначила собой концептуальный и духовный разрыв с прошлым. Иногда говорят, что Ньютон объединил небеса и Землю. Вычислив при помощи горсти математических уравнений движения планет, он привел к общему знаменателю все предыдущие изобразительные описания Солнечной системы – и это означало переход от эры магии к тому, что стало современной физикой. Ньютоновский подход обеспечил формирование генеральной парадигмы, в которую вписалось все последовавшее за этим развитие физики. Древнегреческую «физику» современные физики почти не воспринимают; в ньютоновской физике они чувствуют себя как дома.

Повсеместно упоминаемый пример торжества законов Ньютона – открытие планеты Нептун в 1846 году. И до этого астрономы замечали, что небесный путь Урана немного отклоняется от орбиты, предсказанной на основе ньютоновского закона тяготения. Француз Урбан Леверье, пытаясь объяснить это упрямое расхождение, сделал смелое предположение, что оно вызвано неизвестной планетой, гораздо более далекой, чем Уран, чье гравитационное притяжение слабо, но заметно влияет на траекторию Урана. Применяя законы Ньютона, Леверье сумел предсказать, где именно неизвестная планета должна находиться на небе, чтобы ее присутствие объяснило искажения орбиты Урана, – конечно, при условии, что законы Ньютона верны. И действительно, астрономы вскоре нашли Нептун в пределах одного градуса от точки, на которую указал Леверье. Это стало одним из самых замечательных моментов в истории науки XIX века. Говорили, что Леверье открыл новую планету «на кончике пера»![13]

Поразительные успехи, подобные этому, достигались на протяжении нескольких столетий, подтверждая, что законы Ньютона представляют собой универсальные окончательные истины. Уже в XVIII веке французский математик Жозеф Луи Лагранж отметил, что Ньютону посчастливилось жить именно в тот уникальный момент человеческой истории, когда открыть законы Природы было возможно – ведь «устройство мира можно открыть лишь однажды». Сам Ньютон, впрочем, прилагал очень мало усилий, чтобы способствовать этому научному мифотворчеству: следуя традициям мистицизма, он видел в элегантной математической форме своих законов лишь проявление божьего промысла.

Именно такая математическая формулировка законов Природы и воплощает то, что сегодняшние физики понимают под словом «теория». Практическая ценность и прогностическая сила физических теорий в том, что они описывают реальный мир абстрактными математическими уравнениями, которыми мы можем манипулировать, чтобы предсказать реальные события, не прибегая к наблюдениям или экспериментам. И это работает! От открытия Нептуна до регистрации гравитационных волн и предсказания новых элементарных частиц и античастиц – опять и опять решения основанных на законах физики математических уравнений пророчат новые и неожиданные природные явления, которые затем действительно наблюдаются. Находясь под глубоким впечатлением от этой предсказательной силы, нобелевский лауреат Поль Дирак, как известно, утверждал, что наиболее перспективный путь развития физики заключается в отыскании самых интересных и красивых математических решений. Математика, говорил он, «ведет тебя за руку к открытию новых физических теорий»[14]. Афоризм Дирака взяли на вооружение в своих поисках окончательной «единой теории всего» сегодняшние создатели теории струн – они то и дело поддаются древнему искушению принять математическое совершенство своих теоретических построений за гарантию их истинности. Многие пионеры теории струн отмечали, что теория, обладающая настолько прекрасной математической структурой, просто не может не иметь никакого отношения к Природе.

Однако на более глубоком уровне мы все-таки не очень понимаем, почему теоретическая физика работает так хорошо. Почему Природа следует хитроумной математической программе, действующей под ее наружной видимой поверхностью? Что в действительности означают законы Природы? И почему они принимают именно такую форму? В ответах на эти вопросы большинство физиков-теоретиков продолжают следовать Платону. Они склонны представлять законы физики как вечные математические истины, не просто порожденные нашим разумом, но существующие в абстрактной реальности, которая лежит за пределами физического мира. Например, законы тяготения или квантовой механики обычно рассматриваются как приближения к окончательной теории, которая существует где-то там, в области, которую еще предстоит открыть, а не только у нас в головах. Поэтому, хотя в современную научную эпоху физические законы возникали прежде всего как инструменты для описания отыскиваемых в Природе структур, они с тех самых пор, как Ньютон обнажил их математические корни, обрели собственную жизнь и сами сделались неким видом реальности, заменяющей физический мир.

Для французского ученого-энциклопедиста начала XX столетия Анри Пуанкаре принятие концепции безусловных в платоновом смысле законов было необходимым предварительным условием занятий наукой вообще.

Идея первичных законов Пуанкаре интересна и важна, но одновременно и загадочна. Как именно эти столь удаленные от реальной общественной жизни законы, существующие в своем платоновском мире, объединяются для управления реальной физической Вселенной и управления ею, не говоря уж об их великолепной приспособленности для жизни? Открытие Большого взрыва поставило этот вопрос ребром: он больше не мог рассматриваться как «просто философский». Если Большой взрыв и вправду породил время, то, похоже, надо признать правоту Пуанкаре – ведь если физические законы определяют, как возникла Вселенная, естественно было бы думать, что они должны, по крайней мере в некотором смысле, существовать вне времени. Интересно, что таким образом теория Большого взрыва вводит в сферу физики и космологии то, что раньше было предметом чисто метафизических соображений. Эта теория ставит под вопрос некоторые из наших философских предположений о природе физических законов.

В конечном счете идея, что законы физики каким-то образом выходят за пределы окружающего мира, оставляет вопрос о причине их необыкновенной приспособленности для жизни полностью таинственным. Физики, приверженные этой схеме, могут лишь надеяться, что могучий математический принцип, который станет ядром «окончательной теории всего», однажды объяснит эту загадочную биофильность. Современный платоновский ответ на загадку мироздания, насколько он вообще возможен, заключается в математической необходимости: Вселенная такова, какова она есть, потому что у Природы нет выбора. Это почти что древняя аристотелева Конечная Причина в одежде современной теоретической физики. Больше того, даже оставляя в стороне тот факт, что «окончательная теория» остается несбыточной мечтой, надо признать, что даже если бы такой мощный математический принцип и был когда-нибудь найден, это вряд ли помогло бы понять, почему Вселенная оказалась настолько благосклонна к жизни. Никакая платоническая истина не смогла бы перекинуть мост через открытую на заре современной науки пропасть между миром неживого и миром живого. Нам пришлось бы заключить, что жизнь и разум – лишь счастливые совпадения, случившиеся в полностью безличной, совершенной математической реальности, и это мало продвинуло бы нас к пониманию причин такого совпадения.

Хотя опору на платоновскую идею высшего замысла в физике и космологии нельзя с порога назвать неверной, биологи, начиная с Дарвина, пришли к этой же идее по отношению к миру живого радикально иным путем.

В биологическом мире целенаправленные процессы и видимые признаки целенаправленного замысла проявляются повсеместно. Именно это, конечно, прежде всего и легло в основу телеологических взглядов Аристотеля на природу. Живые организмы устроены фантастически сложно. Даже в отдельной живой клетке содержится разнообразный набор молекулярных компонентов, прекрасным образом соединившихся для выполнения ее многочисленных функций. В организмах большего размера огромное количество клеток работают вместе как слаженный оркестр и образуют хитроумные целенаправленные структуры – к примеру, глаз или мозг. До Чарльза Дарвина люди не могли понять, как физические и химические процессы могли сами по себе создать системы такой ошеломляющей сложности – чтобы это объяснить, приходилось предполагать присутствие Создателя. В XVIII столетии английский священник Уильям Пейли уподоблял чудесную слаженность мира жизни работе часового механизма. Как и в часах, утверждал Пейли, в биологическом мире признаки замысла, конструкции слишком сильны, чтобы их можно было не замечать. «Творение должно иметь Творца»[15]. Однако дарвиновская теория эволюции, сломавшая старую парадигму, решительно устранила телеологическое мышление из биологии. Глубочайшая идея Дарвина заключалась в том, что биологическая эволюция – естественный процесс и что видимая гармония и целесообразность живых организмов могут объясняться действием простых механизмов случайных изменений и естественного отбора. Необходимость в привлечении Творца отпала.

На Галапагосских островах Дарвин обнаружил множество разновидностей вьюрков – мелких птичек, отличавшихся друг от друга размером и формой клювов. У вьюрков, живших в траве, были сильные клювы, удобные для щелканья орехов и дробления семян, тогда как у древесных вьюрков – заостренные острые клювы, хорошо приспособленные для вытаскивания насекомых из-под коры. Эти и другие данные, собранные Дарвином в путешествии, позволили ему предположить, что связанные между собой разновидности вьюрков эволюционировали со временем так, чтобы более эффективно использовать доступные ресурсы в их экологических нишах. В 1837 году, по свежим впечатлениям от своего плавания на Галапагосские острова на корабле «Бигль», Дарвин сделал в одной из своих красных записных книжек набросок дерева с хаотически расположенными ветвями. В этом наброске, напоминающем генеалогическое древо какого-нибудь древнего рода, отразилась суть глубокой и плодотворной теории ученого: все живое на Земле связано и произошло от единого общего предка – символизируемого стволом древа – посредством постепенного и пошагового процесса селекции под влиянием окружающей среды, действующего на случайно мутирующие репликаторы (см. рис. 4 на вклейке).

Ключевая идея дарвинизма состоит в том, что Природа не «заглядывает вперед» – она не предвосхищает того, что может впоследствии понадобиться для выживания. Напротив, любые тренды, такие как изменение формы клюва или постепенный рост длины шеи у жирафов, вызываются давлением отбора под воздействием окружающей среды; оно, это давление, действует на протяжении длительных периодов времени, усиливая полезные свойства.

«Есть величие в воззрении, – напишет Дарвин более двадцати лет спустя, – по которому жизнь с ее различными проявлениями Творец первоначально вдохнул в одну или ограниченное число форм; и, между тем как наша планета продолжает вращаться согласно неизменным законам тяготения, из такого простого начала развилось и продолжает развиваться бесконечное число самых прекрасных и самых изумительных форм»[16].

Дарвинизм опрокинул аргумент Пейли с часовщиком, продемонстрировав, что этим часам швейцарский часовщик не требуется. Учение Дарвина дало подробное эволюционное описание живого мира, согласно которому его видимая упорядоченность и законы, которым он подчиняется, понимаются как развивающиеся свойства естественных процессов, а не как результат сверхъестественного акта творения.

Однако, несмотря на их красоту и величие, биологические законы часто воспринимаются как чуть менее фундаментальные, чем законы физики. Возникающие структурные закономерности могут быть устойчивыми, но никому не приходит в голову считать их вечными. Более того, детерминизм и предсказуемость в биологии сыграли гораздо менее принципиальную роль. Ньютоновские законы движения детерминистские: они позволяют физикам предсказывать положения объектов на любой момент будущего по их положениям и скоростям на сегодняшний день (или на любой момент прошлого). В дарвиновской схеме случайность мутаций в живых системах означает, что почти ничего нельзя предопределить наперед – даже новые законы, которые однажды могут возникнуть. Недостаток детерминизма придает биологии сильный ретроактивный оттенок. Мы можем понять смысл биологической эволюции, только глядя на нее ретроспективно, обернувшись в прошлое. Теория Дарвина не входит в подробности реального эволюционного пути от самых ранних проявлений жизни до сегодняшней разнообразной и сложной биосферы. Она не предсказывает строения древа жизни, так как это не было – и не могло быть – ее целью. Гений Дарвина проявился в том, как он очертил основные организационные принципы эволюции. Заполнение исторической летописи жизни досталось на долю филогенетики и палеонтологии. Другими словами, дарвиновская теория эволюции констатирует, что жизнь есть совместный продукт неких закономерностей и конкретной истории. Ценность этой теории заключается в том, что она позволяет ученым ретроспективно конструировать древо жизни, исходя из наших сегодняшних наблюдений за биосферой и из гипотезы общего происхождения.

Яркий пример такого подхода дают нам дарвиновские вьюрки. Если бы Дарвину вздумалось провести логическую цепочку из прошлого в будущее и на основе знаний о химической среде добиологической Земли попытаться предсказать, какие появятся новые виды галапагосских вьюрков, он потерпел бы полное поражение. Существование вьюрков или любых других особей, населяющих нашу планету, не может быть выведено только на основе законов физики и химии – потому что каждое ветвление, происходящее в процессе биологической эволюции, включает в себя элемент случайности. Некоторым случайным исходам обстоятельства, складывающиеся в окружающей среде, благоприятствуют, и такие исходы «замораживаются», часто с драматическими последствиями. Такие «замороженные» случайности помогают определить характер последующей эволюции и могут даже принимать форму новых биологических законов. Законы наследственности Менделя, например, связаны с исходом коллективных ветвлений при половом размножении организмов.

На рис. 5 я привожу современную версию филогенетического древа жизни, основанную на анализе последовательности рибосомной РНК. Диаграмма изображает три домена – бактерии, археи и эвкариоты – и их общего предка, лежащего в корне древа. Всё на древе жизни, начиная с молекулярной основы и заканчивая разновидностями вьюрков, вобрало в себя сложную свертку миллиардов лет химического и биологического «экспериментирования». Это и делает биологию наукой преимущественно ретроспективной. Эволюционный биолог Стивен Джей Гулд выразился так: «Если мы перемотаем историю жизни к ее началу и проиграем эту пленку еще раз, все виды живых существ, строение организмов и фенотипы, которые образуются в результате эволюции, могут оказаться совершенно другими»[17].

Рис. 5. Древо жизни, изображающее три биологических домена.

В основе древа – универсальный общий предок (Last Universal Common Ancestor – LUCA), последняя по времени популяция организмов, от которой произошли все существующие на Земле формы жизни.

Недостаток детерминизма, свойственный биологической эволюции, распространяется и на другие уровни истории, от абиогенеза до истории человечества. Подобно Дарвину, историки, объясняя случайные изгибы и повороты истории, проводят различие между описанием того, «как» что-либо произошло, и объяснением того, «почему» это произошло. Описывая «как», историки рассуждают ретроспективно, как и биологи – реконструируют ряды конкретных событий, которые ведут от некоторой исходной точки к данному исходу. Однако, объясняя «почему», мы должны думать как физики – пробиваться сквозь время, чтобы идентифицировать причинные, детерминистские связи, при помощи которых можно предсказать выбор одного конкретного исторического пути из всех остальных. Поверхностное прочтение истории часто грешит предложением причинного детерминистского объяснения тому, почему события произошли именно так, а не иначе. Но более тщательный анализ обычно выявляет хитроумное переплетение соперничающих сил и взаимодействий; они вместе с огромным числом сопутствующих случайностей и приводят к выбору пути, который часто очень далек от естественного, и уж конечно не был неизбежен. Это и заставляет нас описывать «как», а не «почему».

Из окна моего кабинета я вижу лес, расположенный несколькими милями южнее поля битвы при Ватерлоо. 17 июня 1815 года, накануне главного сражения, Наполеон Бонапарт приказал одному из своих генералов, Эмманюэлю де Груши, преследовать прусскую армию, чтобы не дать ей соединиться с союзными силами англичан, занимавших позиции дальше к северу. Исполняя приказание, Груши двинулся на северо-восток с изрядной частью французских войск, но пруссаков не нашел. На следующее утро он услышал – из леса, который я сейчас вижу, сидя за рабочим столом, – отдаленный грохот французских орудий и понял, что сражение началось. Несколько критических минут он колебался, размышляя, не следует ли ему нарушить приказ императора и повернуть обратно, на помощь своим. Но он решил – наперекор судьбе – продолжать двигаться туда, где по его представлениям находилась прусская армия. Решение, принятое Груши в тот момент, – типичный «замороженный случай»; он не просто повлиял на исход сражения, но и оказал воздействие на весь ход европейской истории.

Или возьмем другой пример: установление христианства в Римской империи в IV веке н. э. Когда император Константин взошел на трон в 306 году, христианство было всего-навсего малопримечательной сектой, борющейся за влияние с дюжиной других провинциальных культов. Почему же именно христианство завоевало Римскую империю и стало мировой религией? Историк Юваль Харари в своей книге Sapiens утверждает, что причинного объяснения этому нет и что доминирующую роль христианства в Западной Европе лучше всего рассматривать как еще один «замороженный случай». Откликаясь на мысли Гулда, относящиеся к биологии, Харари пишет: «Если бы мы могли перематывать историю назад, как кинопленку, и переиграть IV век раз сто, мы бы увидели, что христианство завоюет Римскую империю всего пару-тройку раз». Но этот «замороженный случай» имел далекоидущие последствия: монотеизм способствовал вере в Бога-творца, создателя рационального плана Вселенной. Поэтому неудивительно, что, когда двадцать веков спустя в христианской Европе наконец возникла современная наука, первые ученые воспринимали свои исследования как вид религиозных исканий, готовящих почву для решения загадки «плана мироздания» – загадки, которую мы все еще пытаемся разгадать.

ОБЪЯСНЯЯ «ПОЧЕМУ», МЫ ДОЛЖНЫ ДУМАТЬ КАК ФИЗИКИ – ПРОБИВАТЬСЯ СКВОЗЬ ВРЕМЯ, ЧТОБЫ ИДЕНТИФИЦИРОВАТЬ ПРИЧИННЫЕ, ДЕТЕРМИНИСТСКИЕ СВЯЗИ, ПРИ ПОМОЩИ КОТОРЫХ МОЖНО ПРЕДСКАЗАТЬ ВЫБОР ОДНОГО КОНКРЕТНОГО ИСТОРИЧЕСКОГО ПУТИ ИЗ ВСЕХ ОСТАЛЬНЫХ.

Вообще говоря, мириады путей, широко открывающихся с любой точки истории – как истории человечества, так и биологической или астрофизической эволюции, – говорят о том, что детерминистские объяснения работают только на очень грубом уровне. На любой стадии эволюции детерминизм и причинность формируют лишь наиболее общие структурные тренды и особенности, часто обусловленные законами, действующими на более низком уровне сложности. Полная неожиданных изгибов и поворотов история человечества, например, до сих пор в основном разыгрывалась в пределах планеты Земля – не считая нескольких кратковременных контактов посредством космических аппаратов с другими телами Солнечной системы. Это неудивительно – и значит, вполне предсказуемо; ведь человечество существует в определенной физической и геологической среде. Но этот факт не скажет нам ничего об особенностях какой-либо конкретной исторической эпохи.

Подобным же образом порядок расположения химических элементов и структура Периодической таблицы Менделеева, в сущности, жестко определяются законами физики частиц на более фундаментальном уровне. Но конкретные обилия этих элементов на Земле определяются бесчисленными случайностями геологического развития в том или ином месте.

На биологическом уровне вся жизнь на Земле основана на молекулах ДНК, а гены состоят из четырех нуклеотидов, обозначаемых A, C, G и T. Конкретный состав «строительных кирпичиков» молекулы ДНК, вероятно, является случайным исходом абиогенеза на нашей планете. Но базовая способность к вычислениям, которой жизнь должна овладеть, чтобы поддерживать свое существование, лежит на более глубоком уровне. Исходя из еще более глубоких математических и физических принципов, она вполне может определять широкие структурные свойства молекулярного переносчика генетической информации. Это подтверждается теоретическими работами по конструированию самовоспроизводящихся автоматов, выполненными в 1948 году американским математиком венгерского происхождения Джоном фон Нейманом. За пять лет до открытия Уотсоном и Криком структуры ДНК фон Нейман идентифицировал критические вычислительные задачи, которые жизнь должна решить для обеспечения своего существования, и определил сложно устpoенную структуру – по всей видимости, единственно возможную, – обладающую способностью самовоспроизводства. Очерченная им структура мгновенно распознается как ДНК.

Эволюция постоянно создает гигантскую цепь «замороженных случаев». Низкие уровни сложности задают среду существования более высоких уровней эволюции. Но при этом все равно остается столько места для неожиданных поворотов и скачков, что часто реализуются самые невероятные ответвления – и детерминизм терпит крах. Случайные исходы бесчисленных событий ветвления вносят в ход эволюции элемент принципиальной непредсказуемости. Они несут с собой огромное количество структурных и информационных изменений, не выводимых из законов более низкого уровня, и на более высоких уровнях эти изменения могут создавать – и часто создают – новые имеющие вид законов соответствия. Например, хотя сегодня ни один серьезный ученый не верит в существование в биологии особых «жизненных сил», не имеющих какого бы то ни было физико-химического происхождения, физика сама по себе все же не определяет действующие на Земле биологические законы.

• • •

Всего через восемнадцать дней после того, как 24 ноября 1859 года был опубликован капитальный труд «О происхождении видов», Чарльз Дарвин получил письмо от астронома сэра Джона Фредерика Уильяма Гершеля. Сын открывателя Урана выразил свой скептицизм по поводу произвольности дарвиновской картины эволюции – по его выражению, книга Дарвина провозглашает «закон тяп-ляп (the law of higgledy-piggledy)»[18]. Но в этом-то и сила! Красота теории Дарвина в том, что она предлагает в качестве силы, которая управляет миром живого, синтез состязающихся друг с другом сил случайных изменений и отбора под влиянием окружающей среды. Дарвин нащупал в биологии золотую середину между «почему» и «как», объединив в гармоничную схему причинные объяснения с индуктивной логикой. Он показал, что, несмотря на свою изначально историческую и случайную природу, биология может быть доказательной и плодотворной наукой, которая углубляет наше понимание мира живого.

Дарвинизм продолжил научную революцию. Он распространил ее на единственную область знаний, в которой телеологическая точка зрения казалась незыблемой, – на мир живого. Но мировоззрение, которое излучает дарвинизм, полярно противоположно тому, на котором основана фундаментальная физика. Это особенно ярко проявляется в их радикально противоположном подходе к загадке «мирового замысла». В то время как дарвинизм предлагает насквозь эволюционное понимание видимого строения мира живого, физика и космология для объяснения возможности перехода от неживого к живому обращаются в первую очередь к природе вневременных математических законов. Как специалисты в области наук о жизни, так и физики часто противопоставляют «тяп-ляп»-схему дарвиновской эволюции – жесткости и незыблемости законов физики. Считается, что на глубинном уровне физикой управляют не история и эволюция, но вневременная и вечная математическая красота. Грандиозное достижение Леметра – понимание того, что Вселенная расширяется, – конечно, внесло в космологию сильный эволюционный мотив. Но на более глубоком уровне, там, где дело касается «загадки замысла», оказывается, что схемы Леметра и Дарвина (на вклейке – рис. 3 и 4, соответственно) транслируют фундаментально различные мировоззрения. Эта глубочайшая концептуальная пропасть разделяла биологию и физику с самого начала научной революции.

Перекинуть мост через эту пропасть Стивен стремился с самых первых своих шагов в науке. Но реальная исследовательская программа достижения этой цели у него выкристаллизовалась только к концу XX века, когда бо́льшая часть его усилий оказалась направлена на решение загадки «космического замысла». Он задумал ни больше ни меньше, чем попытаться взорвать космологию изнутри.

Вспомним эти золотые годы. Неожиданное экспериментальное открытие ускорения расширения Вселенной, казалось, откликалось на столь же ошеломляющие теоретические результаты, из которых следовало, что законы физики, возможно, вовсе не похожи на скрижали, навечно высеченные в камне. Росло число свидетельств того, что по крайней мере некоторые особенности физических законов, возможно, являются не математически необходимыми, а случайными, отражающими конкретный характер остывания этой Вселенной после горячего Большого взрыва. Из исследований элементарных частиц, основных видов взаимодействий, количества темной энергии становилось очевидно, что многие из дружественных жизни свойств Вселенной, возможно, не были изначально заложены в ней при рождении, как клеймо изготовителя, а сохранились со времен ее ранней эволюции, а корни их глубоко спрятаны в глубинах Большого взрыва.

Вскоре у теоретиков, разрабатывающих теорию струн, начала вырисовываться пестрая картина мультивселенной – гигантского раздувающегося пространства, содержащего лоскутную мозаику островных вселенных, каждая со своей собственной физикой. Это привело к кардинальному изменению угла зрения, под которым рассматривалась «тонкая настройка» космоса. Вместо того чтобы оплакивать расставание с мечтой о единой и окончательной теории, которая предсказала бы, каким должен быть мир, сторонники идеи мультивселенной пытались превратить эту досадную неудачу в победу, преобразуя космологию в науку об окружающей среде (даром, что эта среда оказывалась уж очень обширной!) Один из этих теоретиков уподобил локальный характер физических законов в мультивселенной погоде на Восточном побережье США: «Умопомрачительно непостоянная, почти всегда ужасная, но в редких случаях – просто чудесная»[19].

Мы можем почувствовать масштаб этой перемены на примере из истории науки. В XVII веке немецкий астроном Иоганн Кеплер предложил модель Солнечной системы, проистекающую из античного учения Платона об основных геометрических телах – пяти правильных многогранниках, начиная со всем известного куба. Кеплер представил себе, что приблизительно круговые орбиты шести известных тогда планет проходят по невидимым сферам, обращающимся вокруг Солнца. Затем он высказал следующую гипотезу: относительные размеры этих сфер продиктованы условием, что каждая такая сфера, кроме самой внешней из них, сферы Сатурна, вписана в один из этих пяти многогранников, и каждая сфера, кроме самой внутренней, сферы Меркурия, описана вокруг одного из них[20]. Рис. 6 воспроизводит чертеж, которым Кеплер иллюстрирует эту конфигурацию. Когда Кеплер поместил эти пять геометрических тел в правильном порядке, причем все они оказались точно вписаны друг в друга, он обнаружил, что вложенные в них сферы можно разместить на интервалах, соответствующих расстояниям планет от Солнца, причем Сатурн будет двигаться по сфере, описанной вокруг самого внешнего из многогранников, и не будет никаких зазоров для изменения относительных радиусов сфер. На основе своей схемы он предсказал общее количество планет – шесть, – а также относительные размеры их орбит. Для Кеплера число планет и их расстояния от Солнца были проявлением глубокой математической симметрии Природы. Его труд Mysterium Cosmographicum представляет собой попытку на деле согласовать древнюю мечту Платона о гармонии сфер с установившимся в XVI столетии пониманием, что планеты обращаются вокруг Солнца.

Во времена Кеплера Солнечную систему в целом рассматривали как аналог всей Вселенной. Никто тогда не знал, что звезды – это солнца со своими планетными системами. Поэтому было вполне естественно предполагать, что планетные орбиты играли во Вселенной фундаментальную роль. Сегодня мы знаем, что количество планет в Солнечной системе или их расстояния от Солнца не имеют никакого глубокого значения. Мы понимаем, что набор планет Солнечной системы не уникален и даже не представляет собой какого-то специфического частного случая, а просто является случайным исходом истории образования Солнечной системы из завихрений газопылевой туманности, вращающейся вокруг прото-Солнца. За последние три десятилетия астрономы наблюдали тысячи планетных систем с широким диапазоном различных орбитальных конфигураций. У некоторых звезд есть планеты размером с Юпитер и периодами обращения в несколько дней, у других три или даже больше потенциально пригодных для обитания землеподобных планет; на планетах в системах двойных звезд должны наблюдаться случаи причудливой хаотической смены дня и ночи; есть и множество других странностей.

Если мы действительно живем в мультивселенной, то законы физики в нашей конкретной Вселенной играли бы ту же роль, что и орбиты планет в кеплеровской модели Солнечной системы. Напрасно было бы идти по стопам Кеплера и искать более глубокого объяснения «тонкой настройки», которая порождает жизнь. В мультивселенной наблюдаемые особенности локальных законов, благоприятствующие жизни, были бы лишь результатом случайных процессов, разыгрывавшихся в ходе Большого взрыва, который породил нашу конкретную островную Вселенную. Сторонники мультивселенной утверждают, что современные последователи Платона глядят не туда. Не глубинная математическая истина обуславливает благоустроенность Вселенной для жизни, говорят они, а просто отличная местная космическая погода. Любая попытка увидеть за этим великий космический замысел – иллюзия.

Рис. 6. В первом из своих главных астрономических трудов, Mysterium Cosmographicum («Космографическая тайна»), Иоганн Кеплер предложил платоновскую модель Солнечной системы, связывавшую размеры круговых планетных орбит с пятью правильными многогранниками. На чертеже Кеплера ясно видны четыре планетных сферы, а также додекаэдр, тетраэдр и куб.

Но в такой логике таится одна проблема, которая приобретет первостепенную важность, когда я перейду к обсуждению сути последней теории Хокинга: сама мультивселенная есть платоновский конструкт. Космология мультивселенной постулирует существование некоего вида вечных метазаконов, управляющих всем. Но эти метазаконы не уточняют, в какой именно из многих вселенных должны находиться мы. В этом и заключается проблема: ведь без правила или принципа, который связывает метазаконы мультивселенной с локальными законами нашей островной Вселенной, теория неминуемо попадает в спираль парадоксов, где никаких проверяемых предсказаний быть не может. Космология мультивселенной фундаментальным образом недоопределена и неоднозначна. В ней недостает ключевой информации о нашем местонахождении в этой сумасшедшей космической мозаике, а значит, она не может нам сказать, какого рода Вселенную мы должны видеть вокруг себя. Мультивселенная оказывается чем-то вроде дебетовой карты без пин-кода или, что еще хуже, шкафом из IKEA, к которому не приложена инструкция для сборки. В самом глубоком смысле эта теория неспособна объяснить нам, кто мы такие в этом космосе и почему мы здесь.

Однако ее адепты сдаваться не собирались. Они предложили способ устранить этот дефект – предложение столь радикальное, что оно встряхнуло все научное сообщество и шум вокруг него до сих пор не может улечься. Это – антропный принцип.

Антропный принцип пришел в космологию в 1973 году. Астрофизик Брендон Картер, который учился в Кембридже одновременно со Стивеном, выдвинул этот принцип на конференции памяти Коперника в Кракове. Это стало забавным историческим курьезом: ведь именно Коперник в XVI веке сделал первые шаги к устранению человечества с главенствующей позиции в космосе[21]. Теперь, через четыре с лишним столетия, Картер согласился с Коперником: мы, люди, далеко не главный элемент космического устройства. Но все же, рассуждал он, не можем ли мы ошибаться, если предполагаем, что мы не представляем собой чего-либо особенного хоть в каком-нибудь отношении – в частности там, где дело касается наших наблюдений космоса? Возможно, мы находим Вселенную такой, какой она есть, именно потому, что в ней есть мы?

В словах Картера был смысл. Конечно, мы не могли бы ничего наблюдать там и тогда, где и когда нас бы не было. Еще в 1930-х такие ученые, как Леметр и американский астрофизик Роберт Дикке, размышляли о том, какие свойства понадобились бы Вселенной, чтобы она могла поддерживать существование разумных организмов. К примеру, формы жизни, разумной или нет, основываются на углероде, образующемся в ходе термоядерного горения в недрах звезд, а этот процесс требует миллиардов лет. Но расширяющаяся Вселенная не сможет обеспечить звезде миллиардов лет времени, если она не простирается на миллиарды световых лет в пространстве. Следовательно, заключали Леметр и Дикке, мы не должны удивляться тому, что живем в старой и большой Вселенной. В историях расширяющихся вселенных есть предпочтительный период, на протяжении которого сделанные из углерода астрономы могут заниматься своим делом, и это с необходимостью определяет, что именно они могут увидеть. Такие выводы не слишком отличаются от тех, к которым мы приходим, когда учитываем влияние наблюдательной селекции в ежедневных ситуациях. Но Картер пошел дальше – гораздо дальше. Он предположил, что селекция играет роль не только внутри одной Вселенной – нашей, – но и во всей мультивселенной. Он предположил, что в ней работает антропный принцип – правило, находящееся выше и за пределами безличных метазаконов, управляющих мультивселенной. Это правило воплощает оптимальные космические условия, которые требуются для жизни, и «действует» так, чтобы выбрать, в какой из множества вселенных мы должны оказаться.

ВОЗМОЖНО, МЫ НАХОДИМ ВСЕЛЕННУЮ ТАКОЙ, КАКАЯ ОНА ЕСТЬ, ИМЕННО ПОТОМУ, ЧТО В НЕЙ ЕСТЬ МЫ?

Это было действительно радикальное предположение. Остроумным маневром снова ставя жизнь в привилегированную позицию, делая ее центральным пунктом объяснения Вселенной, антропный принцип Картера как бы возвращает нас на пять столетий обратно, в докоперниканскую эпоху. Постулируя определенное предпочтительное положение вещей, которое включает существование жизни, разума или сознания, этот принцип на свой особый манер заигрывает с телеологией – аристотелевым взглядом, который научная революция давно уже успешно преодолела (или нам так казалось).

Поэтому неудивительно, что, когда в 1973 году Картер впервые выдвинул свой космологический антропный принцип, а теоретические доказательства реальности мультивселенной были в лучшем случае отрывочными, его неясные фантазии отвергли как откровенную чушь. Но когда на самом закате XX века ситуация в космологии резко изменилась и теории мультивселенной вдруг обрели популярность, картеровское антропное мышление возродилось. За него ухватились, чтобы определить и классифицировать наше место в гигантской космической мозаике. Антропный принцип стал рассматриваться как Пин-код, который преобразовывал теорию мультивселенной из абстрактной платоновой доктрины в стройную физическую теорию, способную дать реальное объяснение мира.

Фанаты мультивселенной объявили, что они нашли вторую возможную разгадку тайны «замысла Вселенной» – если считать первой просто совпадение, удачное следствие глубокого, но (пока) таинственного математического принципа, лежащего в самой сердцевине всего сущего. Новый ответ из области космологии антропной мультивселенной был таким: то, что кажется замыслом, есть свойство нашего локального космического окружения. Мы населяем редкую дружелюбную к жизни область в огромной космической мозаике островных вселенных, выделенную на основе антропного принципа. Восторг, вызванный этим заявлением, был безграничен. «Мы вместе, Вселенная и мы, – провозгласил Андрей Линде. – Я не могу представить последовательной теории Вселенной, которая игнорирует жизнь и сознание»[22]. В своей книге «Космический ландшафт» известный своей категоричностью струнный теоретик Леонард Сасскинд из Стэнфордского университета (чьим смелым догадкам можно доверять) объявил тандем из объективных метазаконов, управляющих мультивселенной, в сочетании с субъективным антропным принципом – «новой парадигмой фундаментальной физики». Титан физики частиц Стивен Вайнберг тоже предположил, что антропное мышление предвещает рассвет новой эры в космологии. Озарившая его в конце 1960-х гениальная объединяющая идея о том, что электромагнитные силы и слабое ядерное взаимодействие есть, по сути, одно и то же, легла в основу Стандартной модели физики частиц. Некоторые предсказания Стандартной модели с тех пор были подтверждены с невероятной точностью до не менее четырнадцати знаков после запятой, что превратило ее в наиболее точно проверенную теорию из всех, когда-либо существовавших в физике. Но при всей этой точности Вайнберг чувствовал: чтобы более глубоко понять, почему Стандартная модель принимает ту особую форму, которую она имеет, мы должны дополнить математические принципы ортодоксальной физики принципом совершенно иной природы. «В истории науки большинство прорывов отмечено открытиями явлений природы, – сказал он в своей кембриджской лекции “Живя в мультивселенной”, – но в некоторых поворотных точках мы сделали открытия в самой науке и в том, что мы считаем приемлемым для теории. И, может быть, мы находимся именно в такой поворотной точке… Концепция мультивселенной узаконивает антропное мышление в качестве новой основы физических теорий»[23]. Выраженное в этих словах мировоззрение Вайнберга отзывается эхом дуализма. Есть физические законы или метазаконы, и мы открываем их, но они холодны и безличны. Однако кроме них существует антропный принцип, который каким-то присущим ему таинственным путем перебрасывает мост от (мета)законов к воспринимаемому нами физическому миру.

Последовала яростная реакция. За несколько лет антропный принцип сделался вызывающим самые яростные споры положением в теоретической физике. И некоторые в своем неприятии его оказались совершенно бескомпромиссны. «Инфляционная теория сама вырыла себе могилу», – заявил сооткрыватель космологической инфляции Пол Стейнхардт из Принстона. «Это вроде капитуляции», – отрезал нобелевский лауреат Дэвид Гросс из Калифорнийского университета. Остальные думают, что обсуждение нашего места в космосе преждевременно само по себе. «Думать о таких вещах слишком рано»,[24] – сказал, выступая перед специалистами по теории струн летом 2019 года, физик-теоретик Нима Аркани-Хамед, вообще-то, известный мечтатель и визионер. Спустя пятьсот лет после начала современной научной революции, которая и посеяла семена дуализма в физике, такое замечание выглядит довольно показательным.

К большому разочарованию Стивена молчаливое большинство теоретиков стыдливо отводили глаза – они терялись в математических дебрях. Они чувствовали – и чувствуют до сих пор, – что глубокий анализ происхождения биофильности Вселенной лежит за пределами их области компетенции. Они предпочитали верить, что эта проблема каким-то образом исчезнет сама собой, как только мы выведем основное уравнение теории струн, управляющее мультивселенной. Как-то раз за чаем в DAMTP Стивен, который никогда не стеснялся «резать правду-матку», пожаловался на это. «Я просто диву даюсь, – сказал он, – как люди (струнные теоретики) могут быть до того зашорены, что не могут серьезно поставить вопрос, как и почему образовалась Вселенная»[25]. Он был уверен: чтобы пролить свет на «тайну замысла», недостаточно будет просто найти абстрактные математические метазаконы. Поиск единой физической теории был для него неразрывно связан с ответом на вопрос, где в недрах Большого взрыва спрятан ключ к нашему происхождению. Мечта об окончательной теории, настаивал он, не может быть достигнута, если мы рассматриваем ее «просто» как еще одну лабораторную задачу, – она должна быть поставлена в контекст космологической эволюции. И в поисках нового видения Вселенной математика была для Хокинга не госпожой, а служанкой и помощницей. Поэтому он соглашался с адептами антропного принципа в том, что понять природу расположенности Вселенной к жизни очень важно и что плоское следование Платону здесь никак не поможет – требуется сдвиг парадигмы, фундаментальное изменение нашего метода физического познания и исследования Вселенной[26]. При этом, однако, он все больше проникался скептицизмом в отношении того, что антропное мышление и было тем самым революционным сдвигом. Главная претензия Хокинга к антропному принципу как части новой космологической парадигмы относилась не к его качественной природе – в биологии и других исторических науках полно предсказаний гораздо более качественного характера. Настоящую проблему он видел в том, что антропное мышление ставит основной научный процесс предсказания и фальсифицируемости на слишком зыбкую почву.

Этот процесс широко обсуждался британским философом науки австрийского происхождения Карлом Поппером. Согласно Попперу, науку делает уникально мощным путем приобретения знаний тот факт, что снова и снова, раз за разом ученые достигают консенсуса в результате рациональной аргументации, построенной на доступных нам свидетельствах. Поппер понимал, что истинность научной теории может так никогда и не быть доказана, но любая теория может быть фальсифицирована – что означает, что она может войти в противоречие с экспериментами. Однако – и в этом была ключевая идея Поппера – процесс фальсифицирования становится возможным лишь потому, что на основе необходимых теоретических гипотез должны делаться однозначные предсказания: теперь, если бы нашлись противоречащие этим предсказаниям результаты, стало бы ясно, что по крайней мере одна из основных посылок теории в Природе не существует. Причина, по которой эта ситуация имеет центральное значение для способа функционирования науки, в том, что она, эта ситуация, асимметрична; подтверждение теоретического предсказания поддерживает теорию, хотя и не доказывает ее, в то время как фальсификация предсказания может доказать, что теория ложна. Любая идея может оказаться неверной – эта возможность всегда подстерегает нас в науке, и это существенный элемент научного прогресса.

Но антропный принцип ставит этот процесс под сомнение – личные критерии того, что именно составляет «расположенность к жизни» у Вселенной, вносят в физику субъективный элемент, который подрывает попперовский механизм фальсификации. Ваша антропная точка зрения может соответствовать одному лоскутку мультивселенной, с одним набором законов, а мои антропные симпатии могут подходить к совсем другому ее уголку, где система законов другая и нет никаких объективных критериев, по которым можно было бы определить, кто прав.

Все это очень непохоже на дарвиновскую эволюцию, которая всяческими хитроумными способами избегает чего-то хоть отдаленно напоминающего аналог антропного мышления в применении к биологии. Существует ли вообще внеземная жизнь, не говоря уж о том, как она развивается, для теории Дарвина не играет никакой роли. Не оставляет дарвинизм никакой щелочки и для выделения какого-либо одного вида, будь это Panthera leo, Homo Sapiens или еще кто-то, в привилегированное положение в биологическом мире. Наоборот, дарвинизм уходит корнями в наши отношения с остальным миром живого. Он ставит на первый план взаимосвязь всего со всем. Одно из великих прозрений Дарвина заключалось в том, что Homo Sapiens развивался совместно со всем остальным миром живого. «Мы должны признать, как мне кажется, что человек со всеми его благородными свойствами… по-прежнему несет в своем телесном строении неизгладимую печать его низкого происхождения», – писал он в «Происхождении человека». Как же глубоко отличается этот подход от картеровского антропного принципа в космологии, действующего вне естественной эволюции Вселенной, как будто бы он был каким-то чужеродным дополнением к ней!

В попперовском смысле, если говорить о фальсификации, антропная мультивселенная почти не отличается от космологического учения, развитого в XVII веке немецким энциклопедистом Готфридом Лейбницем. В своем труде «Монадология» Лейбниц предполагает, что существует бесконечно много вселенных, каждая со своим пространством, временем и материей, и что мы живем в лучшем из всех возможных миров, избранном для нас Богом в Его бесконечной благости.

Поэтому вполне понятно, что научное сообщество оказалось в состоянии непрерывного конфликта с антропным принципом, при всех его – хоть и сомнительных – достоинствах. В своей книге «Неприятности с физикой», критикующей теорию струн, американский физик и писатель Ли Смолин особенно подчеркивает, что, «как только нефальсифицируемую теорию предпочитают ее фальсифицируемым альтернативам, научный процесс останавливается и дальнейший рост знаний больше невозможен». Именно это беспокоило и Стивена в нашем первом разговоре в его кабинете – что как только кто-либо принимает антропный принцип, так тут же теряет способность предсказывать, одно из основных завоеваний науки. Мы заходим в тупик. Предполагалось, что антропный принцип должен помочь нам понять, «кто мы такие» в безграничной космической мозаике, и в силу этого послужить мостом, соединяющим абстрактную теорию мультивселенной с опытом наших наблюдений в этой Вселенной. Однако эту задачу не удается решить так, чтобы не нарушить при этом основных принципов научной практики. И космология мультивселенной так и не обретает никакой объясняющей силы.

Рис. 7(а). В августе 2001 года Мартин Рис – он стоит слева от Стивена – устроил в своем загородном доме в Кембридже, в Англии, конференцию для обсуждения преимуществ, если таковые вообще имеются, антропного принципа в фундаментальной физике и космологии. Именно в кулуарах этой конференции Стивен и автор этой книги (в третьем ряду, позади Стивена) начали серьезно обсуждать вопрос о том, как квантовый взгляд на космос мог бы дополнить антропный подход к космологии. На конференцию к Рису съехалось много коллег, которым суждено было сыграть ключевую роль в наших научных странствиях, – среди них Нил Турок (сидит крайний слева), Ли Смолин (сидит крайний справа) и Андрей Линде (стоит крайним справа в среднем ряду). Слева от Линде – Джим Хартл, еле заметный за спиной у Бернарда Карра, потом Хауме Гаррига, Алекс Виленкин и Гэри Гиббонс.

Это приводит нас к интересному наблюдению. В широком смысле с самого начала современной научной революции мы, как это ни удивительно, почти не продвинулись к разгадке происхождения видимого «замысла», лежащего в основе физической реальности. Мы до мельчайших подробностей понимаем сейчас всю историю расширения Вселенной, мы понимаем, как гравитация формирует крупномасштабную структуру Вселенной, мы понимаем тонкости квантового поведения материи до масштабов, значительно меньших размера протона. Но вся эта подробная физическая картина, сама по себе имеющая огромное значение, послужила только для того, чтобы подчеркнуть лежащую более глубоко загадку «замысла». Таинственная природа биофильности Вселенной продолжает вызывать смущение, раскалывая научное сообщество, а за ним и широкую публику. Глубокая концептуальная пропасть продолжает разделять наше понимание мира жизни и представления о физических условиях, которые делают ее существование возможным. Почему математические законы, заложенные в момент Большого взрыва, оказались приспособленными для жизни? И что нам делать с этим фактом? Трещина, разделяющая одушевленный и неодушевленный миры, кажется сейчас глубже, чем когда бы то ни было.

Физики говорят, что мультивселенная ставит нас перед парадоксом. Космология мультивселенной исходит из представления о космической инфляции: очень краткого этапа очень быстрого расширения Вселенной, который она прошла на самых ранних стадиях своего существования. Инфляционная теория уже довольно долго подкрепляется множеством наблюдательных доказательств, но при этом обладает неудобной особенностью: в этой модели создается не одна, но огромное число вселенных. И так как теория не дает нам возможности понять, в какой из них должны находиться мы – этой информации в ней недостает, – она теряет бо́льшую часть своей способности предсказывать, что именно мы должны наблюдать. Это парадокс. С одной стороны, наша лучшая космологическая теория предполагает, что мы живем в мультивселенной. И в то же время идея мультивселенной во многом разрушает предсказательную способность этой теории.

Стивен не впервые оказывался лицом к лицу с парадоксом. Еще в 1977 году он приложил руку к решению подобной загадки в контексте черных дыр. Общая теория относительности Эйнштейна предсказывает, что почти вся информация о чем бы то ни было, попадающем в черную дыру, навсегда остается скрытой внутри нее. Но Стивен обнаружил, что квантовая теория вносит в эту историю парадоксальный поворот. Он показал, что квантовые процессы вблизи поверхности черной дыры приводят к тому, что она излучает слабый, но устойчивый поток частиц, в том числе и частиц света. Это излучение – теперь его называют излучением Хокинга – слишком слабое, чтобы его можно было зарегистрировать физическими методами, и само его существование оказывается внутренне противоречивым[27]. Дело в том, что, если черные дыры излучают энергию, они должны съеживаться и в конце концов исчезать. Что же происходит с огромным количеством информации, скрытым внутри черной дыры, когда последний грамм ее массы превращается в излучение? Вычисления Стивена показали, что эта информация будет потеряна навсегда. Черные дыры, утверждал он, это идеальные мусоросборники. Однако такой сценарий противоречит основному принципу квантовой теории, который требует, чтобы в ходе физических процессов информация могла преобразовываться и кодироваться, но никогда бы не могла быть необратимо уничтожена. Мы снова приходим к парадоксу: квантовые процессы заставляют черные дыры излучать и терять информацию, но та же квантовая теория говорит, что это невозможно.

Парадоксы, связанные с жизненным циклом черных дыр и с нашим местом в мультивселенной, стали двумя самыми жгучими и наиболее горячо обсуждаемыми загадками физики последних десятилетий. Так как они имеют прямое отношение к природе и судьбе информации в физике, они попадают в самое сердце любой физической теории. Оба этих парадокса возникают в контексте так называемого полуклассического теоретического описания гравитации, которое впервые предложили Стивен и его кембриджская «банда» в середине 1970-х на стыке классического и квантового подходов. Парадоксы начинают сказываться, когда кто-то применяет такой полуклассический подход либо на слишком длинных временных шкалах (в случае черных дыр), либо на слишком больших расстояниях (в случае мультивселенной). Взятые вместе, они дают самую наглядную на сегодня иллюстрацию глубинных трудностей, которые возникают, когда мы пытаемся заставить две основополагающие физические теории XX века, теорию относительности и теорию квантов, работать в гармонии друг с другом. В этой роли они послужили основой для головокружительных мысленных экспериментов, в рамках которых теоретики проэкстраполировали свое полуклассическое описание гравитации до крайних пределов, чтобы посмотреть, где и как именно оно перестанет работать.

Стивен всегда обожал мысленные эксперименты. Отвергая философию, он любил экспериментировать с некоторыми глубокими философскими вопросами – было ли у времени начало, фундаментально ли понятие причинности и – этот вопрос был самым амбициозным – каким образом мы как «наблюдатели» вписываемся в космическую схему. И делал он это, прибегая к построению хитроумных теоретико-физических экспериментов. Все три великих вклада Стивена в физику были результатом изобретательно задуманных и тщательно спланированных мысленных экспериментов. Первым из них стала его серия теорем о сингулярности Большого взрыва в рамках классической гравитации; вторым – сделанное им в 1974 году в области полуклассической гравитации открытие, что черные дыры излучают; и третьим – «предложение об отсутствии границы» при возникновении Вселенной, также сделанное в рамках полуклассической гравитации.

Можно считать, что парадокс черных дыр представляет только академический интерес – специфические особенности излучения Хокинга вряд ли когда-либо станут доступны наблюдениям. Но парадокс мультивселенной непосредственно основывается на наших космологических наблюдениях. Его суть – сложившиеся в современной космологии напряженные отношения между миром живого и явлением наблюдения с одной стороны и физической Вселенной – с другой. Парадокс мультивселенной стал ориентиром в переосмыслении Хокингом этих отношений путем развития полностью квантового взгляда на космос. Его окончательная теория Вселенной, всецело квантовая, перестраивает основы космологии – и это четвертый великий вклад Хокинга в физику. Подготовка грандиозного мысленного эксперимента, на котором основывается эта теория, в некотором смысле заняла пять столетий. Рассказ о его постановке и выполнении и станет содержанием нашего путешествия.

Рис. 7(b). Стивен (слева) и автор (крайний справа) в 2001 году, вскоре после начала их «научных странствий», в брюссельском баре A La Mort Subite

Глава 2

День, у которого не было «вчера»

Мы можем сравнить пространство-время с открытой конической чашей. Мы движемся вперед во времени, поднимаясь по стенкам к верхней кромке чаши. Мы движемся в пространстве, описывая круги по стенкам. Если мы представим движение вспять во времени, мы достигнем дна чаши. Это первый момент на дне пространства-времени, это «сейчас», у которого нету «вчера», потому что вчера не было пространства.

Жорж Леметр, «Гипотеза первичного атома»

В своем интервью[28], переданном по бельгийскому радио в апреле 1957 года по случаю второй годовщины со дня кончины Альберта Эйнштейна, Жорж Леметр вспомнил, как реагировал Эйнштейн, когда он, Леметр, впервые рассказал ему о своем открытии расширения Вселенной. Это было в октябре 1927 года в Брюсселе, в кулуарах Пятого Сольвеевского конгресса по физике, на который съехались самые знаменитые физики всего мира, чтобы обсудить новую квантовую теорию. Тридцатитрехлетний священник и астроном не был участником конгресса – он подошел к Эйнштейну в перерыве между заседаниями. Когда Леметр напомнил Эйнштейну предсказание его общей теории относительности о том, что пространство расширяется и что, следовательно, мы должны наблюдать разбегание галактик, Эйнштейн отмахнулся. «Сделав несколько одобрительных технических замечаний, он закончил разговор, сказав, что с физической точки зрения эта идея кажется ему “отвратной (abominable)”», – вспоминал Леметр.

Но Леметра эти слова не обескуражили. Он относился к своему открытию вполне серьезно. По его мнению, расширение Вселенной означало, что у нее должно было быть начало. Он назвал крошечную крупицу невероятной плотности, в ходе постепенного разрушения которой образовались материя, пространство и время, первичным атомом.

Почему Эйнштейн упорно возражал против идеи начала Вселенной? Он чувствовал, что ее принятие чревато полным разрушением физики. Он считал, что «первичный атом» Леметра или любая другая разновидность Большого взрыва как начала Вселенной станет исходным пунктом для вмешательства Бога в работу Природы. Во время долгих прогулок, которые они вместе совершали в начале 1930-х, Эйнштейн настойчиво убеждал Леметра найти способ избежать идеи «начала всего». «Это слишком сильно напоминает мне христианский догмат о сотворении мира», – говорил он. Ему казалось, что если космологическая теория выдаст Вселенной «свидетельство о рождении», то Вселенной вечно придется хранить молчание о том, кто (или что) в этом свидетельстве указан в качестве родителя, – и тогда придется распроститься с надеждой понять Вселенную на основе одной только науки. И напрасно бельгийский аббат пытался переубедить Эйнштейна, доказывая, что «гипотеза о первичном атоме есть антитезис сверхъестественному сотворению мира»[29]. В сущности, Леметр видел в происхождении Вселенной чудесную возможность расширить сферу применения естественных наук.

Схватка «Эйнштейн против Леметра» во многом предвосхитила схватку «Линде против Хокинга», которая случилась семьдесят лет спустя. Их споры о первопричине расширения Вселенной упираются в самую сердцевину тайны ее «замысла». Что же имел в виду Леметр, когда говорил о Большом взрыве как об «антитезисе сверхъестественному сотворению мира»? Чтобы понять это, нам придется поближе познакомиться с идеями Эйнштейна и Леметра.

Теоретические основания современной космологии заложены эйнштейновской теорией относительности. Эта история возвращает нас к началу XX столетия, ко времени, когда физики располагали ньютоновскими законами гравитации и движения, а еще разработанной Джеймсом Максвеллом теорией электричества, магнетизма и света. Вместе с теорией теплоты все это послужило основой первой промышленной революции. Мировоззрение, выросшее из этих физических теорий XIX века, соответствовало нашему интуитивному представлению о реальности, в том числе о частицах и полях, распространяющихся в фиксированном пространстве в рамках единого универсального времени – этакого космического Биг-Бена. Естественно, поэтому физики считали, что они располагают исчерпывающим описанием Природы и что физика скоро будет завершена.

Однако в 1900 году ирландско-шотландский физик Уильям Томсон, больше известный как лорд Кельвин, один из гигантов классической физики XIX столетия, заметил «на горизонте две тучки»[30]. Одна из этих «тучек», как определил Кельвин, имела отношение к движению света сквозь эфир, другая – к количеству излучения, которое испускают нагретые объекты. Большинство физиков все же полагали, что с этими мелкими деталями нетрудно будет разобраться, а стройное здание физической теории непоколебимо.

И вот в течение одного десятилетия это здание рухнуло. Попытка разобраться с отмеченными Кельвином «мелочами» привела к двум полномасштабным научным революциям – к появлению теории относительности и квантовой механики. Больше того, каждая из этих революций указала физике радикально отличающиеся друг от друга направления. И в результате сегодня над передним краем физики нависает другая туча: проблема согласования теорий, описывающих макро- и микромир.

Как именно вопрос о свете опрокинул здание физики XIX века? Все дело в его скорости. Тщательно поставленные эксперименты показали, что свет всегда движется со скоростью 299 792 458 метров в секунду, безотносительно к движению наблюдателя относительно источника светового луча. Ясно, что это не согласуется с ежедневным опытом: если вы едете в поезде, то, конечно, его скорость, измеренная вами изнутри (нулевая), будет отличаться от скорости поезда, измеренной наблюдателем, неподвижно стоящим на перроне. Это шло вразрез и со всем физическим мышлением XIX века. Считалось, что световые волны переносятся эфиром, таинственной средой, заполняющей все пространство. Будь это так, для наблюдателей, движущихся относительно эфира с разными скоростями, световые волны тоже распространялись бы с разной скоростью. Но эксперименты говорили об обратном! Этого было достаточно, чтобы Альберт Эйнштейн, клерк швейцарского патентного бюро, усомнился в существовании эфира. Эйнштейн понял, что, если свет всегда имеет одну и ту же наблюдаемую скорость, значит, у наблюдателей, движущихся друг относительно друга, должны быть разные представления о расстоянии и времени. В конце концов, скорость есть мера пройденного расстояния, деленная на продолжительность движения. Согласно Эйнштейну, каждый из нас носит с собой свои собственные часы, не сверяя их по космическому Биг-Бену – и, хотя все они могут быть идеально точными, когда мы движемся друг относительно друга, тикают они с несколько разной частотой и измеряют время, прошедшее между одними и теми же двумя событиями, по-разному. То же самое и с расстояниями: линейка одного наблюдателя может отличаться от линейки другого. Так что просто не существует универсальных мер длительности и расстояния. Это и было основной идеей опубликованной Эйнштейном в 1905 году специальной теории относительности. Само слово «относительность» здесь выражает именно ту революционную идею, что понятия пространства, времени и одновременности не являются объективными, но всегда связаны с точкой зрения данного наблюдателя.

Вы можете спросить, куда же девается разность расстояний, измеренных одним наблюдателем относительно другого. Просто исчезает? Не совсем. Она переходит в количество времени. Дело в том, что в эйнштейновской релятивистской Вселенной движение в пространстве смешивается с движением во времени. Когда я смотрю на припаркованное спортивное авто моей сестры, я вижу, что оно движется только во времени. Но когда сестра выезжает со стоянки, крохотная часть движения ее машины во времени переходит в движение в пространстве. И это замедляет движение машины во времени: часы сестры теперь идут чуть медленнее моих. Это, конечно, не делает ее похожей на героиню лимерика, которая, уехав сегодня, вернулась домой вчера[31], но все-таки, когда она снова приедет на стоянку, ее часы немного разойдутся с моими. Максимальная скорость достигается, когда движение во времени полностью обращается в движение в пространстве. Это скорость света – космический предел скорости. Грубо говоря, движение в пространстве со скоростью света не оставляет возможности двигаться во времени. Если бы у частицы света были наручные часы, они бы не тикали.

ТЕОРИЯ ЭЙНШТЕЙНА РАЗРУШИЛА ГЛУБОКО УКОРЕНИВШИЙСЯ НЬЮТОНОВСКИЙ ВЗГЛЯД НА МИР, ГДЕ ПРОСТРАНСТВО БЫЛО ФИКСИРОВАННОЙ КОСМИЧЕСКОЙ СЦЕНОЙ, НА КОТОРОЙ РАЗЫГРЫВАЛИСЬ СОБЫТИЯ, А ВРЕМЯ – УНИВЕРСАЛЬНОЙ ОДНОНАПРАВЛЕННОЙ СТРЕЛОЙ, УСТОЙЧИВО И РАВНОМЕРНО ДВИГАЮЩЕЙСЯ ИЗ БЕСКОНЕЧНОГО ПРОШЛОГО В БЕСКОНЕЧНОЕ БУДУЩЕЕ.

Вооруженная этими представлениями, теория Эйнштейна разрушила глубоко укоренившийся ньютоновский взгляд на мир, где пространство было фиксированной космической сценой, на которой разыгрывались события, а время – универсальной однонаправленной стрелой, устойчиво и равномерно двигающейся из бесконечного прошлого в бесконечное будущее. В системе представлений Ньютона ничто не могло повлиять на однородную природу пространства и линейное течение времени. Кроме того, время и пространство не были взаимосвязаны. По Ньютону, время было всегда и всегда будет, независимо от любого участка пространства, который может существовать, а может и не существовать.

Специальная теория относительности Эйнштейна бросила вызов этой картине мира, установив внутреннюю глубокую связь между пространством и временем. В 1908 году немецкий математик Герман Минковский, когда-то бывший одним из преподавателей Эйнштейна в Цюрихской высшей технической школе, завершил начатую Эйнштейном смену концепций пространства и времени. Его знаменитая декларация гласит: «Отныне пространство само по себе и время само по себе низводятся до роли теней и лишь некоторый вид соединения обоих должен еще сохранить самостоятельность»[32]. Минковский сплавил три измерения пространства и одно измерение времени в единую четырехмерную сущность: пространство-время.

Чтобы визуализировать этот четырехмерный союз, мы обычно удаляем одно или два из трех пространственных измерений и показываем на рисунке остальные вместе с временной осью в виде «пространственно-временной диаграммы». Рис. 8 воспроизводит самую первую сделанную Минковским графическую визуализацию пространства-времени, в которой он сохранил только одно пространственное измерение, направленное горизонтально, и вертикальную временную ось. Эта схема иллюстрирует, как именно специальная теория относительности переопределяет наши отношения со Вселенной. Если мы наблюдаем из точки O, то сигналы, распространяющиеся со скоростью света, – как достигающие нас с противоположных направлений в прошлом, так и уходящие от нас в будущее, – прочерчивают в пространстве-времени две прямые линии, которые пересекаются в точке O и делят пространство-время на четыре непересекающихся части. Прошлое наблюдателя – это треугольная область пространства-времени, ограниченная траекториями световых лучей, приходящих в точку O. Она содержит все события, которые произошли и могут повлиять на действительность, видимую наблюдателем. Будущее наблюдателя – это область пространства-времени, ограниченная световыми лучами, вышедшими из O; в ней содержится все, на что наблюдатель может влиять. Позже нам встретятся пространственно-временные диаграммы, содержащие и второе пространственное измерение в горизонтальной плоскости. На таких диаграммах пути световых лучей в прошлом и в будущем в каждой точке образуют два конуса, касающихся своими вершинами в этой точке и раскрывающихся в противоположных направлениях. В структуре световых конусов, выходящих из каждой точки пространства-времени, и заключается вся суть релятивистской физики. Прежде люди верили, что прошлое и будущее как бы склеены друг с другом при помощи настоящего. Но специальная теория относительности показывает, что для вас – для наблюдателя – прошлое и будущее соприкасаются лишь в одной точке, отмечающей ваше конкретное положение во Вселенной.

Рис. 8. Первая диаграмма, объединяющая пространство и время в пространство-время, опубликованная Германом Минковским в его изданной в 1908 году книге Raum und Zeit («Пространство и время»). Время и одно измерение пространства обозначены штриховыми стрелками, или «векторами». Одна стрелка указывает направление времени (zeitartiger vector), а другая – направление в пространстве (raumartiger vector). Наблюдатель расположен в точке O. Область пространства-времени в его будущем (jenseits von O) ограничена надписью Nachkegel, а в его прошлом (diesseits von O) – Vorkegel. Это световые конусы наблюдателя в будущем и прошлом соответственно.

В ньютоновском мире отделенных друг от друга и абсолютных времени и пространства – и без космического предела скорости – все пространство считалось, по крайней мере в принципе, мгновенно достижимым для посылаемого сигнала. В релятивистском мире Эйнштейна мы начинаем понимать, какая малая часть его находится в пределах досягаемости. Наблюдаемая часть Вселенной ограничена как в пространстве, так и во времени областью, лежащей внутри нашего светового конуса прошлого. А так как с момента Большого взрыва прошло всего 13,8 миллиарда лет, это значит, что существует космологический горизонт, предельное расстояние, вне которого все, что происходит во Вселенной – или мультивселенной, – в принципе находится вне нашей досягаемости, как бы мы ни пытались увеличить силу наших телескопов.

Даже внутри нашего космологического горизонта мы можем собирать информацию лишь об ограниченных участках пространства-времени. На рис. 9 показаны те области внутри светового конуса прошлого, которые находятся в прямой досягаемости земного наблюдателя. Во-первых, астрономические наблюдения света от источников во Вселенной дают нам информацию о приповерхностной области светового конуса, тянущегося в прошлое более чем на 13 миллиардов лет. Во-вторых, наблюдения земных окаменелостей, космических лучей и других фрагментов космического вещества позволяют нам заглянуть в локальную внутренность нашего светового конуса прошлого на глубину примерно в 4,6 миллиарда лет. Но между этими двумя областями лежат огромные зоны (на рис. 9 они заштрихованы редко), прямого доступа к которым у нас нет.

Рис. 9. Наш световой конус прошлого. Густо заштрихованы области в прошлом, к которым у нас есть прямой доступ.

• • •

В 1907 году Эйнштейн решил переосмыслить ньютоновский закон всемирного тяготения, чтобы привести описание гравитации в соответствие со своим новым релятивистским видением пространства-времени. Это грандиозное по трудности предприятие вылилось в настоящую математическую одиссею. Впоследствии сам Эйнштейн описывал его так: «…долгие и одинокие странствия по пустыне, во тьме, в поисках истины, которую мы чувствуем, но не можем выразить»[33]. Но все оправдалось. В ноябре 1915 года, в мрачные дни Первой мировой войны, Эйнштейн смог наконец опубликовать свою общую теорию относительности, новую теорию тяготения, совместимую со специальной теорией относительности – теорией пространства-времени. Ей суждено было стать самым грандиозным из научных достижений Эйнштейна.

В общей теории относительности гравитация описывается в терминах геометрии – по сути, геометрии самого пространства-времени[34]. Эта теория рассматривает тяготение как проявление кривизны пространства-времени, ткань которого изгибается под воздействием массы и энергии. Согласно этой теории, например, Земля движется вокруг Солнца не потому, что на нее на огромном расстоянии действует таинственная сила, каким-то образом притягивающая ее к Солнцу, а потому, что масса Солнца слегка изменяет форму пространства вокруг него, создавая в его окрестности что-то вроде углубления, – из-за чего Земля (и другие планеты) и движутся в этой долине по эллиптическим орбитам. Мы не можем увидеть этого углубления, но мы его чувствуем – это тяготение! Или другой пример – согласно Эйнштейну, вы стоите, упираясь ногами в землю, потому что масса планеты создает в окружающем ее пространстве что-то вроде вмятины, по стенкам которой ваше тело как бы соскальзывает вниз, что и заставляет ваши подошвы чувствовать направленное вверх давление почвы. Та же складка в ткани пространства удерживает на орбите вокруг нашей планеты искусственные спутники, МКС и Луну.

Искривляется не только пространство, но и время! Это явление эксплуатируют – нещадно при этом преувеличивая – постановщики таких фильмов, как «Интерстеллар». Когда Джозеф Купер и его экипаж возвращаются на борт своего космического корабля после короткого пребывания на планете Миллера, они обнаруживают, что Ромилли, член экипажа, дожидавшийся их на корабле, постарел больше, чем на двадцать три года. По-видимому, огромная масса черной дыры неподалеку от планеты Миллера замедлила ход времени для посетивших планету астронавтов.

Мощь эйнштейновской общей теории относительности воплощена в диалоге между веществом и энергией с одной стороны и формой пространства-времени с другой, и этот диалог имеет форму уравнения:

Прочесть это уравнение нетрудно. В правой части – все вещество и энергия в некоторой области пространства-времени, обозначенные Tµv. В левой – описание геометрии этой области. Магия содержится в знаке равенства (=) посредине: он с математической точностью показывает, как геометрия пространства-времени слева (Gµv) связана с данной конфигурацией вещества и энергии (Tµv) справа. Эта взаимосвязь, как говорит нам теория Эйнштейна, и есть то, что мы воспринимаем как тяготение. Получается, что тяготение не входит в теорию Эйнштейна как независимая сила, а возникает из взаимозависимости между материей и формой пространства-времени. Как выразился американский физик Джон Арчибальд Уилер, «вещество говорит пространству-времени, как ему искривляться; пространство-время говорит веществу, как ему двигаться»[35].

Короче, общая теория относительности вдохнула жизнь в пространство-время. Теория Эйнштейна преобразовала пространство-время: из ньютоновской вечной и неизменной «космической сцены», устройство которой недоступно нашему пониманию, оно превратилось в гибкое физическое поле. Интересно, что в физике понятие полей – невидимых субстанций, заполняющих пространство, – восходит к блестящему шотландскому экспериментатору XIX столетия Майклу Фарадею. Эту концепцию тут же подхватил Максвелл, чтобы сформулировать свою теорию электромагнетизма. Наверное, самый известный пример физического поля – это, конечно, магнитное поле, посредством которого действуют магниты. Сегодня физики пользуются понятием поля для описания не только сил, но и разновидностей частиц. Грубо говоря, мы представляем себе частицы как плотные комки или крупицы соответствующих полей, заполняющих пространство. Гений Эйнштейна сказался в том, что он идентифицировал само пространство-время как физическое поле тяготения.

Общая теория относительности сразу же встретила поддержку, которая стала быстро расти. Первое доказательство ее истинности было найдено в Солнечной системе – оно было связано с орбитой планеты Меркурий. Когда в середине XIX века Леверье указал астрономам положение планеты Нептун, он также подметил, что околосолнечная орбита Меркурия чуть отклоняется от пути, который ей предписывает ньютоновский закон всемирного тяготения. Леверье, что неудивительно, предположил, что траектория Меркурия может испытывать влияние другой планеты, находящейся еще ближе к Солнцу. Имя Вулкан таинственной планете дал французский физик Жак Бабинэ. Но Вулкан так и не удалось найти. Поэтому в 1915 году Эйнштейн решил перевычислить орбиту Меркурия на основании своей новой теории тяготения – и увидел, что теория полностью объясняет «аномалию Меркурия». Это открытие он называл самым сильным эмоциональным переживанием своей жизни – «будто со мной заговорила сама Природа»[36].

Но настоящий триумф общей теории относительности пришел в 1919 году, когда британский астроном сэр Артур Эддингтон отплыл к португальскому острову Принсипи, расположенному у побережья Западной Африки, чтобы измерить положения звезд во время полного солнечного затмения. Если Эйнштейн был прав и масса действительно искривляет пространство-время, то свет звезд, проходя мимо такого массивного объекта, как Солнце, должен не распространяться по прямой, а отклоняться от нее, что вызвало бы небольшое смещение положения этих звезд на небе. Именно это и увидели пораженные Эддингтон и его сотрудники: звезды сдвинулись со своих мест. Газета The New York Times сообщила о наблюдениях Эддингтона под сенсационным заголовком Lights all askew in the heavens, men of science more or less agog («Огни небес перекосились, научный мир в возбуждении»); Эйнштейн стал мировой знаменитостью – гений, потеснивший с трона самого Ньютона[37]. Законы Ньютона, считавшиеся истиной в последней инстанции, оказались временными и приблизительными. А то, что британский астроном подтвердил теорию немецкого физика, было воспринято и как акт примирения между странами, только что воевавшими друг против друга во время Первой мировой войны.

Световой луч искривляется в поле тяготения Солнца очень слабо – на пару угловых секунд, – потому что по астрономическим меркам гравитационное поле Солнца не очень сильное. Но почти ровно через сто лет, весной 2019 года, первые страницы всех новостных изданий мира украсило запоминающееся изображение, похожее на улыбающееся лицо: фиксация искривления света в его самой крайней форме. Современная версия экспедиции Эддингтона выглядела так: международный коллектив астрономов создал виртуальный телескоп размером с весь земной шар – «телескоп горизонта событий», состоявший из восьми разбросанных по всему миру, от Гренландии до Антарктиды, огромных радиоантенн в форме «тарелок». При их совместной работе достигалось пространственное разрешение, при котором теоретически можно было бы разглядеть теннисный мяч на поверхности Луны. Когда астрономы направили свой глобальный «телескоп горизонта событий» в самый центр Мессье 87 – большой галактики в скоплении Девы на расстоянии около 55 миллионов световых лет от нас – и реализовали всю его разрешающую силу, а затем численно свели воедино все полученные пиксельные изображения, на экранах их компьютеров появился черный диск, окруженный кольцом света. Это было изображение тени гигантской черной дыры, поглощающей окружающее вещество. Темный диск, который мы видим на рис. 10, свидетельствует о том, что в центральной области галактики пространство-время скручивается с чудовищной силой: световые лучи, блуждающие там, не просто отклоняются, но остаются внутри области, как в западне. Кольцо света, окружающее область, порождается нагретым веществом – газом, исчезающим в черной дыре. При этом дыра эта вращается таким образом, что свет, доходящий до нас из-под нижней части черного диска, получает импульс энергии, отчего нижняя часть светового ореола делается ярче. При массе в 6,5 миллиарда Солнц, сжатой внутри области размером примерно с Солнечную систему, эта черная дыра – одна из самых тяжелых в нашей области космоса.

Общая теория относительности предсказала, что черные дыры должны существовать. Всего через несколько месяцев после эпохальной публикации Эйнштейна немецкий астроном Карл Шварцшильд нашел первое решение основных уравнений Эйнштейна, описывавших сильно искривленную геометрию пространства вокруг исключительно плотной идеально сферической массы M. Так как в то время шла Первая мировая война и Шварцшильд находился на Русском фронте, он записал свое решение на почтовой открытке и послал ее в Берлин Эйнштейну. Тот, естественно, пришел в восторг и с энтузиазмом представил полученный результат на заседании Прусской Академии наук.

Рис. 10. Это первое изображение черной дыры, полученное в 2019 году «Телескопом горизонта событий», потрясло мир. Размер центральной «тени» не больше размера Солнечной системы, но в нем заключена масса примерно 6,5 миллиарда Солнц. Объект расположен в центре ядра галактики Мессье 87, на расстоянии около 55 миллионов световых лет. Световое гало образовано излучением вещества, падающего в черную дыру, а тень обозначает границы области пространства, где его кривизна настолько велика, что весь излучаемый свет втягивается внутрь.

Геометрическое решение Шварцшильда описывало весьма необычную поверхность, расположенную на расстоянии 2GM/c^2 от центра масс[38]. Оказалось, что на этой поверхности пространство и время меняются ролями. Много лет эта ситуация оставалась очень запутанной. Эйнштейну казалось, что это просто математическая странность предложенного решения, не имеющая никакого физического значения. Сам Шварцшильд думал, что на этой поверхности пространство и время каким-то образом заканчиваются.

Но в 1930-х годах[39] туман, окружавший геометрию поверхности Шварцшильда, начал рассеиваться. Стало понятно, что его решение описывает конечную форму пространства-времени после завершения гравитационного коллапса идеально сферической массивной звезды, когда она истощает свои запасы ядерного горючего и умирает[40]. Конечно, реальные звезды не идеально сферические, и поэтому большинство физиков оставались скептиками в вопросе о том, существуют ли «гравитационно сколлапсировавшие звезды» на самом деле. Только после вдохновленного работой Роджера Пенроуза ренессанса общей теории относительности в 1960-х физическая реальность таких звезд наконец начала осознаваться, и Уилер пустил для них в оборот термин «черные дыры».

Пенроуз, чистый математик, работавший в Бэркбекском колледже в Лондоне, разработал целый ряд новых остроумных методов описания сложных геометрических структур в общей теории относительности и доказал, что все достаточно массивные звезды, какими бы ни были их исходная форма или химический состав, коллапсируют в черные дыры в конце своей жизни. Это означало, что черные дыры не были эксцентричным математическим артефактом, а должны были составлять неотъемлемую часть космической экосистемы. В своей статье 1969 года Пенроуз писал: «Я только хотел бы призвать к тому, чтобы к черным дырам относились серьезно и исследовали бы во всех подробностях последствия их существования. Ибо кто решится заявить, что они не могут играть какую-то важную роль в картине наблюдаемых явлений?»[41] Это замечание оказалось пророческим. В течение нескольких последовавших десятилетий астрономические наблюдения давали все новые и новые свидетельства существования черных дыр. Кульминацией находок и стали первые неясные изображения этих загадочных объектов, полученные в 2019 году. И спустя пятьдесят пять лет после сделанного Пенроузом математического предсказания повсеместного распространения черных дыр во Вселенной за свое изначально чисто теоретическое открытие в 2020 году он был удостоен Нобелевской премии по физике.

Опубликованная в 1965 году статья Пенроуза[42], которая в итоге принесла ему Нобелевскую премию, занимает всего три страницы и почти не содержит уравнений, но в ней помещен захватывающий, как рисунки да Винчи, набросок – схема гравитационного коллапса звезды в черную дыру (см. рис. 11). На пространственно-временной диаграмме Пенроуза показаны два пространственных измерения и дана схема их переплетения с измерением временным. Мы видим, что вдали от объекта световые конусы будущего открыты в обе стороны, а это означает, что пучки света могут быть направлены как к звезде, так и от нее – как мы и ожидаем. Вблизи коллапсирующей звезды, по мере развития коллапса, появляется особая поверхность, на которой конусы изгибаются так сильно, что даже световые лучи, направленные вовне, двигаясь со скоростью света, «зависают» на постоянном расстоянии от центра звезды. И так как ничто не может двигаться быстрее света, ничто не может каким-либо способом преодолеть это гравитационное притяжение.

Коллапсирующая звезда создала вокруг себя область пространства-времени, полностью изолированную от остальной Вселенной, – черную дыру.

Поверхность, отделяющая «безвыходную» зону внутри черной дыры от остальной Вселенной, и есть та необычная поверхность в геометрии Шварцшильда, которая вызвала такое замешательство в первые годы после появления общей теории относительности. Сегодня ее называют горизонтом событий черной дыры. Она приблизительно соответствует кромке черного диска на рис. 10. Поверхность горизонта событий действует как пропускающая в одну сторону мембрана, сквозь которую могут входить вещество, свет и информация, но выйти обратно не может ничего. Черная дыра – кошмарная форма клаустрофобии.

Рис. 2. Сделанный Роджером Пенроузом в 1965 году рисунок, иллюстрирующий коллапс звезды с образованием черной дыры. Когда звезда сжимается, в пустом пространстве вокруг нее возникает любопытная поверхность, отмеченная черным кольцом в центре рисунка. С этой поверхности даже свет не может покинуть звезду. На чисто математических основаниях Пенроуз продемонстрировал, что, независимо от ее формы, появление такой ловушки для света является признаком неизбежного образования черной дыры с сингулярностью в центре, окруженной цилиндрическим горизонтом событий. Внутри же черной дыры крайне сильный наклон световых конусов будущего означает, что движение к сингулярности должно продолжаться. Из-за этого наклона, однако, внешний наблюдатель не увидит даже последних стадий коллапса, не говоря уж о самой сингулярности внутри черной дыры.

Мало кто из физиков считает, что на горизонте событий большой черной дыры вообще возможно что-либо увидеть или почувствовать, но само его существование имеет огромное значение для причинной структуры черных дыр. Дело в том, что под горизонтом событий пространство и время в некотором смысле меняются ролями. Если отважный астронавт все же каким-то образом проникнет внутрь горизонта событий черной дыры, неуклонно растущий наклон световых конусов будет означать, что ему неизбежно придется продолжать двигаться по направлению к ее центру. То есть радиальное измерение пространства внутри горизонта приобретает свойства временного измерения – это движение в одном направлении, движение, которое невозможно остановить или обратить вспять, и остается только двигаться вперед. Пространственно-временная сингулярность бесконечной кривизны, которая поджидает нашего астронавта в центре дыры, по сути не является точкой в пространстве, но скорее моментом времени – последним моментом.

ПОВЕРХНОСТЬ ГОРИЗОНТА СОБЫТИЙ ДЕЙСТВУЕТ КАК ПРОПУСКАЮЩАЯ В ОДНУ СТОРОНУ МЕМБРАНА, СКВОЗЬ КОТОРУЮ МОГУТ ВХОДИТЬ ВЕЩЕСТВО, СВЕТ И ИНФОРМАЦИЯ, НО ВЫЙТИ ОБРАТНО НЕ МОЖЕТ НИЧЕГО. ЧЕРНАЯ ДЫРА – КОШМАРНАЯ ФОРМА КЛАУСТРОФОБИИ.

Сингулярность с ее бесконечным скручиванием – это там, где (или когда) уравнение Эйнштейна теряет свою предсказательную силу. В пространственно-временных сингулярностях общая теория относительности работать отказывается. И это озадачивает. Как мог Пенроуз доказать, что гравитационный коллапс массивной звезды приводит к образованию сингулярности, если теоретическая база, на которую он опирался, несовместима с сингулярностью? Оригинальность стратегии Пенроуза проявилась в том, чтобы идентифицировать точку невозврата в гравитационном коллапсе, образование того, что он назвал «ловушечной поверхностью» – которую даже свет звезды не может покинуть. Пенроуз показал, что, как только образуется ловушечная поверхность, дальнейший коллапс в сингулярность неизбежен. Его математические приемы были так искусны, что с их помощью он сумел предсказать исход коллапса, несмотря на то что проследить его развитие вплоть до завершения в реальной звезде оказалось невозможно.

Что же происходит, когда две черные дыры входят в сферы влияния друг друга и начинают вращаться друг вокруг друга? Общая теория относительности предсказывает, что их взаимодействие будет генерировать гравитационные волны – волнообразные возмущения пространства-времени, которые распространяются по Вселенной со скоростью света. Так работают уравнения Эйнштейна: две черные дыры, обращающиеся друг вокруг друга, образуют периодически изменяющуюся конфигурацию масс, на что, как следует из уравнений, пространство-время откликается своими собственными периодическими возмущениями. Эта рябь пространства-времени и есть гравитационные волны.

Геометрическая рябь гравитационных волн уносит огромное количество энергии. Отток энергии из системы обращающихся друг вокруг друга черных дыр приводит к тому, что они по спирали сближаются друг с другом и в конце концов сливаются, образуя черную дыру большего размера. По энергии, которая при этом выделяется, слияния черных дыр оставляют далеко позади все остальные взрывные события во Вселенной. Одно столкновение двух черных дыр может вызвать всплеск гравитационных волн более мощный, чем общая мощность всего света, излучаемого всеми звездами во всей наблюдаемой Вселенной. И тем не менее размер геометрических волн, возбуждаемых такими столкновениями, крайне мал, потому что ткань пространства-времени чрезвычайно жесткая[43]. Вот почему, несмотря на их невероятную мощь, всплески гравитационных волн очень трудно регистрировать.

Более того, так как гравитационные волны не несут никаких частиц, их всплеск, проходя через нашу планету, остается невидимым и неощутимым – если не считать того, что, прежде чем он бесследно уйдет дальше в космос, все измерительные линейки на Земле на протяжении очень короткого времени на микроскопическую величину растянутся и сократятся, а часы чуть ускорятся и снова замедлятся. Чтобы зарегистрировать эти изменения, понадобятся линейки длиной в несколько миль, способные измерять изменения расстояния с точностью, значительно более высокой, чем размер протона. Это кажется невозможным. Однако, совершив настоящее инженерное чудо, две группы ученых, коллаборации LIGO в Соединенных Штатах и VIRGO в Европе, сделали это. Используя лазеры и сложнейшую технику для контроля длины трех пар вакуумных трубок длиной в несколько миль каждая, образующих L-образные конфигурации в трех далеко отстоящих друг от друга местах на поверхности Земли, обе группы устроили хитроумные ловушки для гравитационных волн, проходящих через нашу планету. И вот 14 сентября 2015 года, после нескольких лет ожидания и вслушивания, L-образные ветви установки LIGO вдруг начали вибрировать, сначала невероятно слабо, но постепенно быстрее и сильнее. Спустя долю секунды вибрации угасли, но, пользуясь эйнштейновской теорией, по этой мгновенно исчезнувшей вибрационной картине физики сумели восстановить и отследить всплеск гравитационных волн, порожденный случившимся более миллиарда лет назад спиральным сближением и слиянием пары черных дыр, каждая массой около тридцати Солнц. Спустя пять лет таких гравитационно-волновых всплесков было зарегистрировано уже около сотни. Оказалось, что черные дыры действительно представляют собой неотъемлемую часть космической экосистемы – в точности, как и предсказывал Пенроуз.

Экспериментальное открытие гравитационных волн подтвердило последнее из великих предсказаний общей теории относительности. Во многих отношениях это событие отмечает вступление теории в пору зрелости – им ознаменовано как завершение одной эры, так и начало другой. Начавшись с абстрактных математических уравнений, описывающих пространство, время и тяготение, с открытием гравитационных волн эта теория превратилась в совершенно новый способ видения Вселенной. Больше чем через четыреста лет после того, как Галилей впервые направил телескоп на звезды, у астрономов как будто появился новый орган чувств, который позволяет им видеть темную сторону Вселенной, – в ней доминируют черные дыры, темная материя и темная энергия. Работающие теперь в разных точках Земли гравитационно-волновые обсерватории исследуют космос, улавливая мельчайшие вибрации геометрии самого пространства-времени – поля, которое Эйнштейн впервые описал более столетия назад.

Еще на заре эры общей относительности Эйнштейн быстро понял, что его теория может дать радикально новое видение космоса как целого. В 1917 году он писал известному голландскому астроному из Лейдена Виллему де Ситтеру: «Я хочу решить вопрос о том, можно ли развить основную идею относительности до ее окончательного вывода и определить форму Вселенной как целого»[44].

Эйнштейн предложил считать глобальную форму пространства чем-то вроде трехмерной версии поверхности сферы – так называемой гиперсферой. Вообразить гиперсферу трудно – мы ведь обычно думаем об искривленных пространствах как о двумерных поверхностях, погруженных в обычное трехмерное Евклидово пространство. Но такое погружение поверхности в пространство с большим числом измерений – всего лишь уступка нашему зрительному опыту. Математики XIX века уже показали к тому времени, что все геометрические свойства искривленной поверхности – вроде прямых линий, углов и тому подобного – могут быть определены в пределах этой поверхности, без обращения к чему-то, что находится выше или ниже нее[45]. Подобным же образом описание искривленной формы трехмерной гиперсферы не нуждается ни в какой внешней опорной точке. Гиперсфера – это просто гиперсфера.

Как и у поверхности сферы, у трехмерной гиперсферы нет ни центра, ни границы. В какой бы точке гиперсферы вы ни находились, пространство выглядит одинаково. Однако общий объем пространства в эйнштейновской вселенной конечен. Это значит, что так же, как конечна поверхность Земли, ограниченно и количество различных мест в гиперсферической вселенной. Если в эйнштейновской вселенной вы будете двигаться по прямой, в конце концов вы вернетесь в точку отправления со стороны, противоположной той, в которую когда-то отправились, – точно так же, как, двигаясь всегда только прямо вперед, мы в конце концов обогнем Землю. Больше того, за время нашего путешествия ничего не изменится – эйнштейновская вселенная построена как неизменная во времени. Чтобы обеспечить такие ее свойства, Эйнштейн даже ввел в свои уравнения дополнительный член, названный им космологическим членом и обозначенный греческой буквой – сегодня мы называем его космологической постоянной[46]. λ-член Эйнштейна описывает темную энергию пространства, которая проявляется во Вселенной на самых больших масштабах, – что-то вроде антигравитации или космического отталкивания. Эйнштейн увидел, что для гиперсферы некоторого определенного размера притяжение всего вещества и отталкивание, вызванное λ-членом, могут идеально уравновешиваться, – такая Вселенная не расширяется, не сжимается и существует в вечном прошлом и вечном будущем. Это и была Вселенная, какой он ее себе представлял, и единственная, как он думал, согласующаяся с глубоким физическим смыслом его теории.

Эйнштейновское видение космоса, которое позволяло описывать всю Вселенную единым уравнением, ясно показало, что общая теория относительности может привести нас туда, куда законам Ньютона путь был закрыт. В рамках статического гиперсферического пространства-времени общая форма и размеры Вселенной связаны с содержащимся в ней количеством материи и темной энергии. Это значило, что общая теория относительности действительно способна дать фантастические ответы на древние вопросы. Своей трактовкой Вселенной как целого Эйнштейн в некотором смысле прочно вписал «внешнюю сферу» моделей Вселенной древнего мира в рамки современной науки. И хотя модель Вселенной Эйнштейна оказалась и близко не соответствующей действительности, его пионерские исследования обозначили момент рождения современной релятивистской космологии.

Однако пройдет еще десять лет, прежде чем Леметр начнет понимать, насколько истинное космологическое значение теории относительности выходит за пределы первоначальных представлений Эйнштейна и всех остальных.

Леметр был интереснейшей и очень привлекательной фигурой[47]. Родился он в 1894 году в Шарлеруа на юге Бельгии. Из-за начавшейся Первой мировой войны ему пришлось бросить университет, где он получал инженерное образование. Когда в августе 1914 года немцы вторглись в Бельгию, юный Жорж пошел добровольцем в пехоту и в составе бельгийской армии участвовал в битве при Изере, вблизи границы с Францией. Противостояние тянулось два месяца, пока бельгийцы не открыли оросительные каналы, прорытые к морю, – этот потоп остановил немецкое наступление. Рассказывают, что в моменты затишья в окопах Леметр пытался читать классические труды по физике, в том числе Leçons sur les Hypothèses Cosmogoniques («Лекции о космогонических гипотезах») Анри Пуанкаре. Согласно семейной легенде, Жорж навлек на себя гнев капрала, когда осмелился указать на математическую ошибку в армейском руководстве по баллистике.

После войны, следуя ощущаемому им «двойному призванию», Леметр поступил в Католический университет в Лёвене[48], где стал изучать физику, и в семинарию в Малине, где получил специальное разрешение кардинала Мерсье на изучение новой теории относительности Эйнштейна. В 1923 году, уже в пасторской сутане, он пересек Ла-Манш, чтобы поработать с Эддингтоном в Кембриджской обсерватории.

Обладая глубокими познаниями не только в физике, но и в философии, Леметр вполне мог вдохновляться прозрениями шотландского мыслителя XVIII века Дэвида Юма, когда избрал в науке подход на пересечении математической теории и астрономических наблюдений. В своем главном труде «Исследования о человеческом разумении» Юм утверждал, что в основе наших знаний лежит опыт. Признавая силу математики, Юм предостерегал от абстрактных построений, изолированных от реального мира: «Если рассуждать a priori, что угодно может показаться способным произвести что угодно другое. Падение камня может, пожалуй, потушить Солнце, а желание человека – управлять обращением планет по их орбитам»[49]. Провозглашая опыт основой всех наших теорий, Юм тем самым помог заложить основы подхода к науке как к индуктивному процессу, уходящему корнями в эксперимент и в наши наблюдения Вселенной.

В подобном же духе Леметр подытожил свою собственную позицию: «Все идеи тем или иным путем приходят к нам из реального мира, в соответствии с принципом Nihil est in intellectu nisi prius fuerit in sensu[50]. Разумеется, идея, которая вырастает из факта, должна выходить за его пределы и следовать естественному течению мысли, фундаментальной функции интеллекта. И все же это, возможно, один из наиболее ценных уроков, которым учит нас странность физики: этим течением необходимо управлять, оно не должно терять связи с фактами, оно должно позволять себе быть обусловленным ими. Здесь, как и во многих других областях, мы должны найти удачный баланс между туманным идеализмом, который блуждает во тьме, и узким позитивизмом, который всегда остается стерильным[51].

Переехав из английского Кембриджа в Кембридж, что в штате Массачусетс, чтобы поработать в обсерватории Гарвардского колледжа, Леметр стал свидетелем «Великого спора», дебатов, состоявшихся в Вашингтоне в январе 1925 года. Обсуждаемый вопрос состоял в том, что представляют собой замеченные на небе еще в Средние века спиральные туманности – гигантские газовые облака в составе Млечного Пути, или отдельные далекие галактики. С помощью нового 100-дюймового телескопа Хукера на Маунт-Вилсон близ Пасадены, крупнейшего в мире телескопа тех времен, американский астроном Эдвин Хаббл и его коллеги разрешили участки двух таких туманностей (в Андромеде и в Треугольнике) на отдельные звезды, а затем использовали характерные свойства пульсирующих звезд – цефеид – в этих туманностях для оценки расстояний до них[52]. К их изумлению, расстояния оказались порядка миллиона световых лет – гораздо дальше границ нашего Млечного Пути. Это были галактики! Наблюдения Хаббла сразу сделали Вселенную в тысячи раз больше!

Но, что было еще поразительнее, оказалось, что большинство туманностей движутся прочь от нас. Еще в 1913 году талантливый астроном Весто Слайфер, работавший в Ловелловской обсерватории[53]вблизи Большого каньона, заметил в спектрах большинства спиральных туманностей явное смещение в сторону более длинных волн[54]. Такое смещение появляется, когда мы наблюдаем свет от удаляющихся от нас источников, – явление, известное под названием доплеровского сдвига. Мы все знакомы с доплеровским сдвигом звуковых волн – вспомните, как меняется звук сирены «скорой помощи», когда она проносится мимо вас. То же самое происходит и с волнами света – если источник света удаляется от вас, цвет такого света краснеет, что в космологии называется красным смещением. К середине 1920-х Слайфер измерил спектры не менее чем 42 спиральных туманностей и нашел, что только четыре из них приближались к Млечному Пути, в то время как 38 удалялись, и часто с огромными скоростями – до 1800 км/c, что намного превышало скорости любых небесных тел, известных в то время. Теперь мы знаем, что таблицы Слайфера, в которые были сведены измеренные скорости туманностей – пример такой таблицы показан на рис. 12, – были самым ранним свидетельством расширения Вселенной[55].

Вернувшись в Лёвен в 1925 году, Леметр осознал значение наблюдений Слайфера. Говорят, что к тому времени он понимал общую теорию относительности лучше всех, включая Эддингтона и самого Эйнштейна. Леметр видел, что построенная Эйнштейном статичная Вселенная была катастрофически неустойчивой. Она была космологическим эквивалентом иголки, балансирующей на острие; при малейшем толчке она начнет падать. Гениальное прозрение Леметра состояло в том, чтобы отказаться от глубоко укоренившейся идеи неизменной и вечной космической сцены и прочесть в общей теории относительности то, что она все время пыталась нам сказать:

Рис. 12. Первое свидетельство расширения Вселенной: лучевые скорости 25 спиральных туманностей (галактик), опубликованные Весто Слайфером в 1917 году. Отрицательные значения соответствуют галактикам, приближающимся к нам, а положительные скорости принадлежат удаляющимся галактикам.

что Вселенная расширяется. Связывая массу и энергию с формой пространства-времени, теория Эйнштейна с необходимостью приводит к тому, что пространство меняется во времени – и не только локально, но также и in extenso, в масштабах всей Вселенной. Проектируя статический мир, заключал Леметр, Эйнштейн ради своих философских предрассудков о том, каким космосу следует быть, проигнорировал самое драматическое предсказание, вытекавшее из его собственного уравнения. Опубликованная в 1927 году основополагающая статья Леметра, в которой он постулирует расширение пространства, как раз и устанавливает ту самую фундаментальную связь между общей теорией относительности и поведением физической Вселенной как целого[56]. Сам Леметр потом вспоминал с присущей ему беспечностью: «Вышло так, что я был в большей степени математиком, чем большинство астрономов, и в большей степени астрономом, чем большинство математиков»[57].

Рис. 13. Жорж Леметр читает лекцию в Католическом университете в Лёвене, в Бельгии.

Леметр понимал, что расширяющаяся Вселенная – совсем не то, что обычный взрыв. Взрыв происходит в определенной точке. Если вы наблюдаете взрывающуюся звезду с большого расстояния, пространство будет выглядеть очень по-разному в зависимости от того, смотрите ли вы в сторону звезды или в противоположную сторону. В расширяющейся Вселенной все обстоит иначе. В своем расширении Вселенная не имеет ни центра, ни края – растягивается само ее пространство. Если это и взрыв, то взрыв пространства как такового. «Туманности [галактики] похожи на микробов на поверхности воздушного шара, – пояснял Леметр. – Когда шар раздувается, каждый микроб видит, что все остальные удаляются от него, и у него складывается впечатление – но это только впечатление, – что он находится в центре». Выполненная в стиле комикса иллюстрация этой метафоры Леметра появилась в 1930 году в одной голландской газете (см. рис. 2 на вклейке).

Пока световые волны бегут от одного «микроба» до другого, они растягиваются вместе с расширяющимся пространством, и свет из-за этого краснеет. Это создает впечатление, будто далекие галактики устремляются прочь от Млечного Пути, хотя в действительности они не движутся. То есть «красное смещение» в спектрах туманностей – не доплеровский сдвиг, возникающий благодаря реальным движениям галактик, как думали Слайфер и Хаббл, а просто следствие раздувания самого пространства. Я попытался проиллюстрировать это на рис. 14. Так как лист бумаги имеет лишь два измерения, мне снова пришлось убрать два из трех измерений пространства, изобразив оставшееся третье в виде окружности. Внутренность этой окружности и пространство вне ее – просто средство визуализации. Итак, у нас есть одномерная расширяющаяся окружность: ее радиус увеличивается с течением времени. Мы видим, что это ведет к увеличению расстояний между галактиками.

Рис. 14. Схематическое представление одномерной Вселенной, имеющей форму окружности, расширяющейся с течением времени. Расширение пространства приводит к тому, что галактики отдаляются друг от друга, хотя в действительности они не движутся. Вследствие этого видимого движения наблюдаемый нами свет от галактик испытывает красное смещение.

Величина наблюдаемого нами красного смещения зависит от того, насколько давно – а значит, и насколько далеко от нас – воспринимаемый нами свет был испущен. Леметр подсчитал, что если Вселенная расширяется с постоянной скоростью, то должно существовать линейное соотношение между скоростью видимого убегания галактики v и расстоянием от нас до нее r. В своей статье 1927 года он записал это соотношение в виде знаменитого итогового уравнения:

v = H r

Это соотношение говорит нам, что видимые скорости v, с которыми разбегаются галактики, должны быть пропорциональны их расстояниям r от нас. Коэффициент пропорциональности H в этом соотношении есть числовая характеристика скорости расширения Вселенной. В поисках наблюдательного подкрепления своего предсказания Леметр взял измеренные Слайфером красные смещения и выполненные Хабблом (с большой неопределенностью) измерения расстояний для 42 туманностей, и на этом основании сделал оценку: через каждые три миллиона световых лет расстояния скорость разбегания галактик растет примерно на 575 километров в секунду[58].

Открытие расширения Вселенной ознаменовало собой крупнейший сдвиг космологической парадигмы со времен Ньютона. Однако в то время его почти никто не заметил, а те немногие отклики, которые дошли до Леметра, были не особенно вдохновляющими. Экземпляр своей статьи Леметр послал Эддингтону, но тот его потерял. А Эйнштейн, который только что употребил большие усилия на то, чтобы согласовать свою теорию с концепцией неподвижной и статичной Вселенной, отказался снова пересматривать этот вопрос. Во время их короткой и довольно нервной встречи в кулуарах Пятого Сольвеевского конгресса[59] Эйнштейн рассказал Леметру, что решения его уравнений, описывающие расширяющуюся Вселенную, были получены за четыре года до этого молодым математиком из Санкт-Петербурга Александром Александровичем Фридманом[60], вскоре после того скончавшимся. Самому Эйнштейну (да и Фридману) такие решения казались просто странными математическими особенностями теории относительности, не имеющими никакого значения для реального космоса. Статическая Вселенная казалась обоим намного более совершенной и эмоционально приятной. Так что, насколько мы можем судить – притом что Фридман умер, Эйнштейн не желал ничего слушать, а Эддингтон просто не обратил на открытия Леметра никакого внимания, – в конце 1920-х годов лишь один человек на планете постиг то, чему суждено было в конечном счете оказаться самым грандиозным следствием общей теории относительности.

Ничуть не смущенный этим, Леметр принялся за изучение хода расширения Вселенной. Работая у себя дома в Лёвене, на бывшей пивоварне, он стал прослеживать эволюцию размеров трехмерной гиперсферы[61], заполненной различными количествами вещества и темной энергии. Рис. 1 на вклейке показывает разнообразие найденных им решений для различных вселенных, каждая из которых расширяется и эволюционирует в соответствии с общей теорией относительности. Это семейство графиков, рассчитанных Леметром и тщательно нанесенных им на миллиметровку в 1929 или 1930 году, представляет собой один из наиболее замечательных научных документов XX века. Поистине грандиозные по степени своего расхождения с господствовавшим тогда мировоззрением, они буквально изменили мир.

В РАСШИРЯЮЩЕЙСЯ ВСЕЛЕННОЙ ВСЕ ОБСТОИТ ИНАЧЕ. В СВОЕМ РАСШИРЕНИИ ВСЕЛЕННАЯ НЕ ИМЕЕТ НИ ЦЕНТРА, НИ КРАЯ – РАСТЯГИВАЕТСЯ САМО ЕЕ ПРОСТРАНСТВО. ЕСЛИ ЭТО И ВЗРЫВ, ТО ВЗРЫВ ПРОСТРАНСТВА КАК ТАКОВОГО.

В 1929 году Хаббл, в чьем распоряжении по-прежнему был самый мощный в мире телескоп на Маунт-Вилсон, получил сильное эмпирическое подтверждение линейной зависимости между расстоянием до галактики и ее лучевой скоростью. Доказательство было настолько убедительным, что эта зависимость – уравнение (23) в статье Леметра 1927 года – даже была названа законом Хаббла[62], невзирая на то, что Хаббл вообще не упоминал ни о каком расширении Вселенной и до самой смерти не верил в релятивистскую интерпретацию его наблюдений[63]. Тем не менее надо признать, что выполненная им работа была настоящим чудом наблюдательского мастерства. Хабблу помогал Милтон Хьюмасон, бывший погонщик мулов, один из последних астрономов, пришедших в профессию, не имея университетского диплома. Он прилагал поистине героические усилия, чтобы улавливать слабые потоки света от далеких туманностей и определять их красные смещения. Говорили, что на измерение спектра одной-единственной туманности у Хьюмасона уходило три полные ночи тщательнейших наблюдений.

Великолепные наблюдения галактик, выполненные Хабблом и Хьюмасоном, стали переломным моментом в релятивистской космологии. Эддингтон, которому напомнили о статье Леметра 1927 года, распорядился, чтобы английский перевод этой статьи был немедленно напечатан в «Ежемесячных известиях Королевского общества» (Monthly Notices of the Royal Society), и организовал заседание Королевского Общества для обсуждения вопроса. Перед лицом неопровержимых астрономических доказательств Эйнштейн тоже признал, что был неправ. Он резко изменил свою позицию и принял концепцию расширяющейся Вселенной. При этом ему пришлось устранить из уравнений λ-член, который он когда-то специально ввел для обеспечения стационарности Вселенной. Он говорил, что ему никогда не нравился этот член, казавшийся ему грубо нарушающим математическую красоту его теории. О новой, освобожденной от бремени λ-члена и усовершенствованной теории Эйнштейн писал американскому астроному Ричарду Толмэну: «Она действительно стала несравненно более удовлетворительной»[64].

Как ни парадоксально, у Леметра было совершенно иное мнение: он считал, что λ-член Эйнштейна блестяще дополнял его теорию и нужен был, конечно, не для того, чтобы сконструировать статическую Вселенную (такой была мотивация Эйнштейна), а чтобы учитывать энергию, связанную с пустым пространством. В этом с Леметром соглашался Эддингтон, который как-то раз заявил: «Я бы скорее вернулся к теории Ньютона, чем отказался бы от космологической постоянной»[65]. В то время как Эйнштейн добавлял λ-член к левой части своего уравнения, объясняя это геометрическими соображениями, Эддингтон и Леметр рассматривали его как элемент энергетического бюджета Вселенной, за который отвечала правая часть. Если пространство-время есть физическое поле, рассуждали они, разве не должны мы рассчитывать, что оно обладает своими собственными внутренне присущими ему свойствами? Именно это и делает космологическая постоянная: обеспечивает пространство-время энергией и давлением. Так же, как кружка молока содержит определенное количество энергии, измеряемой посредством температуры, λ-член наполняет оказавшееся бы в противном случае пустым пространство «темной энергией» и «темным давлением», количество которых и дается численным значением постоянной. «С λ-членом все обстоит так, как будто энергия вакуума отличалась бы от нуля», – писал Леметр[66].

Антигравитационное действие космологической постоянной возникает из-за того, что давление, которым она наполняет пространство, отрицательно. В отрицательном давлении нет ничего особенно экзотического – это то, что мы часто называем натяжением, как у растянутой резиновой ленты. Отрицательное давление в эйнштейновской теории производит «отрицательное тяготение», или антигравитацию, которая ускоряет расширение пространства.

Когда пространство растягивается, его свойства не изменяются. Его просто становится больше. Поэтому, в отличие от энергии обычного вещества или излучения, темная энергия пространства-времени при расширении пространства не «разжижается» и на огромных пространственных масштабах может даже стать определяющим фактором эволюции Вселенной. В гиперсферических вселенных, соответствующих нижнему семейству кривых на классическом графике Леметра (см. рис. 1 на вклейке), это не так. В этих вселенных плотность темной энергии пространства мала. Вследствие этого гравитационное притяжение полностью доминирует, и то, как изменяется размер Вселенной, очень похоже на траекторию бейсбольного мяча в полете: сначала он начинает расти, затем достигает максимума, прежде чем успевает накопиться и вступить в игру темная энергия, и наконец снова коллапсирует – происходит Большое схлопывание. Но если бы значение космологической постоянной было выше, она смогла бы противодействовать гравитационному притяжению вещества и резко изменить течение космологической эволюции. При достаточном количестве ход расширения Вселенной переходит от «траектории бейсбольного мяча» к «взлетающей космической ракете». Этот тип поведения на диаграмме Леметра соответствует верхнему семейству кривых.

Вообще-то, кроме забот о свойствах пустого пространства, у Леметра была и другая, не менее интересная причина сохранить присутствие – я уже говорил о ней в главе 1. Эта причина имела прямое отношение к обитаемости Вселенной. Тщательно регулируя численное значение, Леметр мог теоретически сконструировать вселенную с большой продолжительностью эры очень медленного расширения, необходимой для того, чтобы в ней могли образоваться галактики, звезды и планеты. Такая «нерешительная» вселенная оказывается намного более благоприятной для жизни, чем многие другие ее версии, найденные Леметром. Она соответствует единственной почти горизонтальной траектории на рис. 1. (Однако если бы Леметр продолжил вычисления, он бы убедился, что даже эта вселенная в конце концов тоже начала бы ускоряться.)

Леметр и Эйнштейн продолжали ссориться из-за «маленькой лямбды» до конца жизни. Они так и не смогли прийти к согласию. Журналисты, выслеживавшие их во время прогулок по лужайкам Атенеума в Калтехе, писали о «маленькой овечке», которая бегает за ними повсюду, куда бы они ни пошли[67]. В более поздней переписке с Леметром на эту тему Эйнштейн признавался, что, если бы он «мог продемонстрировать, что действительно присутствует, это было бы очень важно»[68]. Это выглядело так, как будто Эйнштейн готов был пересмотреть роль пресловутого λ-члена. Пройдет больше восьмидесяти лет, и высокоточные астрономические наблюдения спектров взрывающихся звезд – сверхновых – подтвердят правоту Леметра: мы действительно живем в «нерешительной» Вселенной, хоть эпоха ее «нерешительности» и закончилась несколько миллиардов лет назад[69].

Может быть, самая поразительная подробность диаграммы Леметра, приведенной на рис. 1, прячется в ее левом нижнем углу, где он отметил точку нулевого отсчета времени: t = 0.

Дело в том, что в первоначальном варианте 1927 года расширяющаяся Вселенная Леметра не имела начала. Он предполагал тогда, что Вселенная медленно и постепенно эволюционировала от состояния, близкого к статическому, которое она имела в бесконечно далеком прошлом. Но к 1929 году Леметр понял, что и в далеком прошлом этот сценарий очень напоминал эйнштейновскую иголку, балансирующую на острие, – и отбросил его в пользу другого, в котором у Вселенной было реальное начало. Для Леметра факт расширения Вселенной означал, что она должна была иметь прошлое, непредставимо отличающееся от ее настоящего. «Мы нуждаемся в полном пересмотре нашей космогонии, – настаивал он, – в теории космической эволюции, подобной фейерверку»[70].

Здесь Леметр зашел гораздо дальше, чем могла его завести даже теория Эйнштейна. Он увидел исток Вселенной в сверхтяжелом «первичном атоме», ослепительный распад которого привел к появлению того бескрайнего космоса, что мы сегодня видим. «Стоя на остывающем куске шлака, мы видим медленное угасание солнц и пытаемся восстановить в воображении исчезающий блеск рождения миров», – писал он в своей монографии «Гипотеза первичного атома» (L’Hypothèse de l’Atome Primitif). В поисках ископаемых остатков взрывного рождения Вселенной Леметр заинтересовался космическими лучами, в которых он видел нечто вроде ожидающих расшифровки иероглифов, хранящих рассеянную в пространстве информацию о древнем первичном огненном шаре. Уже в конце своей деятельности для более точных вычислений траекторий космических лучей Леметр купил на Всемирной выставке World Expo 1958 года в Брюсселе одну из первых электронных вычислительных машин, Burroughs E101. С помощью своих студентов он установил ее на чердаке физического факультета университета в Лёвене, основав тем самым первый в истории университетский вычислительный центр[71].

Однако хотя идея расширяющейся Вселенной получила широкое признание еще в начале 1930-х, любые разговоры о том, что Вселенная имела начало, встречались с огромным скепсисом. «Для меня представление о том, что нынешнее устройство Природы имело начало, выглядит просто отталкивающе, – заявлял Эддингтон. – Как ученый, я просто не верю, что Вселенная началась со взрыва. Как будто нечто неизвестное нам выделывает неизвестно что»[72].

ЛЕМЕТР УВИДЕЛ ИСТОК ВСЕЛЕННОЙ В СВЕРХТЯЖЕЛОМ «ПЕРВИЧНОМ АТОМЕ», ОСЛЕПИТЕЛЬНЫЙ РАСПАД КОТОРОГО ПРИВЕЛ К ПОЯВЛЕНИЮ ТОГО БЕСКРАЙНЕГО КОСМОСА, ЧТО МЫ СЕГОДНЯ ВИДИМ.

Эйнштейн тоже сперва отвергал идею начала мира. О точке нулевого отсчета времени в модели расширяющихся вселенных Леметра он думал так же, как и о сингулярности в центре шварцшильдовской сферической черной дыры, – как о странной особенности идеально симметричного и однородного расширения этих вселенных. Поскольку реальная Вселенная вовсе не идеально однородна, при попытке обратить процесс расширения вспять воспроизвести те же конфигурации не удастся, рассуждал он; значит, начало надо заменить циклами сжатия и расширения. В философском смысле это казалось ему гораздо более приемлемым. В 1957 году Леметр вспоминал об их беседе так: «Я снова встретился с Эйнштейном в Калифорнии – в Атенеуме, в кампусе Пасадены. Говоря о своих сомнениях в отношении неизбежности – при определенных условиях – начала Вселенной, Эйнштейн предложил упрощенную модель несферической Вселенной, для которой я без труда рассчитал тензор энергии и показал, что лазейка, с помощью которой Эйнштейн надеялся [избежать необходимости начала], не работает»[73]. По всей видимости, Леметр разделял чувства Эйнштейна по поводу неизбежности начала мира, отметив, что «с эстетической точки зрения эта идея неудачна. Представление о Вселенной, которая раз за разом расширяется и сокращается, обладает неотразимым поэтическим очарованием, заставляя вспомнить о легендарной птице Феникс»[74].

Но Вселенная такова, какова она есть. Невзирая на философские и эстетические предпочтения своих первопроходцев, релятивистская космология недвусмысленно указывала – и упорно продолжает это делать, – что начало у Вселенной все же было. Не будем, однако же, забывать, что нулевой отсчет времени в космологии Леметра, «день, у которого не было “вчера”», вновь образует в общей теории относительности сингулярность, в которой кривизна пространства-времени становится бесконечной, и вследствие этого уравнение Эйнштейна перестает работать. Так что забавным образом Большой взрыв для релятивистской космологии остается в той же степени краеугольным камнем, в какой и ахиллесовой пятой – неизбежностью, лежащей за пределами понимания.

Такое положение вещей вызывает глубочайшее смущение. Если само понятие времени обрело смысл с Большим взрывом, тогда все вопросы о том, что было до этого момента, оказываются лишенными смысла. Даже умозрительные предположения о том, что вызвало Большой взрыв, тоже выглядят неуместными – ведь причина должна предшествовать следствию, а значит, сама постановка вопроса предполагает некоторое представление о времени. Этот видимый крах основной идеи причинности в точке возникновения времени и составлял суть выступлений Эддингтона и Эйнштейна против Леметра. Их неприятие представления о реальном начале Вселенной коренилось в ощущении, что такое начало требовало вмешательства в естественный ход эволюции какого-то сверхъестественного посредника. И это ощущение становилось еще острее по мере того, как за последнее столетие появлялось все больше и больше доказательств происхождения Вселенной путем, поразительно способствующим эволюции жизни. Так что, оглядываясь назад, мы можем понять и простить одолевавшие Эддингтона и Эйнштейна подозрения!

Взгляды Эйнштейна и Эддингтона на проблемы, связанные с идеей начала Вселенной, уходили корнями в старый детерминизм, восходящий еще к Ньютону, детерминизм, с которым согласуется и классическая теория общей относительности Эйнштейна. В этой схеме любое начало требует начальных условий, имеющих те же степени свободы, что и Вселенная, которая из этих условий развивается. Вселенная, которая в ходе своей эволюции достигает некоторой степени сложности, требует, чтобы в нее были заложены начальные условия того же уровня сложности. А Вселенная, которая оказывается приспособленной для зарождения жизни, требует начальных условий, в которых закодирован тот же уровень потенциальной благоприятности для жизни. Все выглядит так, как будто для «запуска» нашей тонко настроенной биофильной Вселенной потребовался некий «акт божественного творения».

Но Леметр сделал гигантский шаг вперед от детерминизма. Он предложил разорвать цепь причин и следствий, приняв квантовую точку зрения на происхождение Вселенной. Свою позицию он изложил в, возможно, самом визионерском из своих текстов, «Начало мира с точки зрения квантовой теории», опубликованном в журнале Nature в мае 1931 года[75]. Исполненное космической поэзии письмо Леметра – один из самых дерзких научных текстов XX столетия. В нем всего лишь 457 слов, но его можно считать настоящей хартией космологии Большого взрыва. В своем письме Леметр утверждает – насколько мне известно, впервые, – что революции, произведенные теорией относительности и квантовой механикой глубоко взаимосвязаны, что изучение начала Вселенной должно быть частью науки, что оно управлялось физическими законами, которые мы можем установить, но что эти гипотетические законы потребуют объединения квантовой теории с теорией гравитации. Мы должны сплавить воедино теорию относительности и квантовую теорию, писал Леметр, так как первая предполагает возникновение Большого взрыва там, где вторая становится критически важной. Именно это объединение, как провидел Леметр, обеспечит настолько мощный и глубокий синтез знаний, что он введет вопрос о происхождении Вселенной в рамки естественных наук. Эти мысли оказались провидческими: сегодня физики постоянно говорят, что Большой взрыв был высшей формой квантового эксперимента.

Квантовая теория пропитывает физику неизбежным элементом неопределенности и «размытости». Леметр предполагал, что в экстремальных условиях самых ранних стадий Вселенной даже пространство и время сделались бы неопределенно-размытыми. «Понятия пространства и времени в самом начале вообще не имели бы какого-либо значения, – писал он в своем “манифесте Большого взрыва”. – Пространство и время начали бы иметь какой-то реальный смысл только, когда исходный “квант” разделился бы на достаточное количество настоящих квантов». И загадочно добавлял: «Если это предположение верно, то начало мира случилось чуть раньше начала пространства и времени».

Но как же квантовый индетерминизм мог бы разрешить загадку причинности, которую ставит перед нами Большой взрыв? Леметр имел в виду, что сложная Вселенная могла появиться из простого первичного атома вследствие случайных квантовых скачков. И если бы оказалось, что сложность современной Вселенной есть результат бесчисленных «замороженных случайностей» в ее эмбриональном развитии, а не следует с необходимостью из идеально выверенных исходных условий, заложенных в самом начале, – разве это не могло бы сделать всю идею начала Вселенной более приемлемой? Размышляя над потенциальными следствиями сценария квантового происхождения Вселенной, Леметр заканчивал свое письмо в Nature такими словами: «Ясно, что первоначальный квант не мог содержать в себе весь последующий ход эволюции. Нет никакой необходимости в том, чтобы история мира была записана в первом кванте, как песенка на диске фонографа… Напротив, из одного и того же начала могли бы развиться очень разные вселенные».

Благодаря тому, что идея квантового происхождения казалась способной смягчить остроту проблемы происхождения времени, Леметр стал рассматривать эту идею как центральную опору его новой космологии, хотя он так и не записал ни единого уравнения первичного атома в обоснование своего дерзновенного видения. Интуитивная картина начала Вселенной, которую Леметр нарисовал в своем «манифесте Большого взрыва» отличается крайней простотой. В его представлении первичный атом был чем-то вроде абстрактного, неделимого, девственного космического яйца, что заставляет меня вспомнить «Начало мира», произведение румынского скульптора Константина Бранкузи (см. рис. 6 на вклейке).

Британский квантовый физик Поль Дирак, один из первых сторонников Леметра и его гипотезы первичного атома, пошел еще дальше и предположил, что квантовые скачки в ранней Вселенной могли полностью заменить собой необходимость в каких-либо начальных условиях. Могло ли случиться, что в момент квантового начала мира причинность исчезает, что тайна «первопричины» в квантовом мире – в нашем мире – просто испаряется?

Поль Дирак прибыл в Кембридж в качестве студента в 1923 году, в том же году, что и Леметр, и тоже надеялся изучать теорию относительности у Эддингтона. Но ему было суждено пойти по иному пути. Этот путь привел его в квантовую теорию частиц, где он достиг непревзойденной никем глубины понимания. Дирак вывел получившее его имя уравнение, объединившее эйнштейновскую частную теорию относительности с квантовой механикой, и предсказал существование антивещества, что принесло ему в 1933 году Нобелевскую премию. Впоследствии он стал даже пятнадцатым по счету Лукасовским профессором математики в Кембридже. При этом Дирак был весьма необычной личностью: он отличался известной всем застенчивостью и молчаливостью, и, как говорили некоторые его коллеги, иногда казался поистине невидимкой. Как-то раз в конце 1970-х Стивен и его жена Джейн субботним вечером пригласили Дирака с женой к чаю. Дон Пэйдж, в то время ассистент Стивена, живший у него и помогавший ему в быту, тоже задержался за столом, чтобы послушать, о чем будут говорить между собой два титана физики XX века. Но ни один из них так и не произнес ни слова.

В архиве Дирака в Таллахасси, штат Флорида, хранится прелестная карандашная зарисовка: портрет Леметра, набросанный одним из слушателей во время лекции Леметра в Клубе Капицы в Кембридже в 1930 году (см. рис. 15). Под наброском написано: «Но я не верю в Божий Перст, всколыхнувший эфир». Согласно воспоминаниям Дирака, которые он записал на сопровождающем этот рисунок листке в 1971 году, «во время лекции Леметра было много споров о роли квантовой неопределенности».

Рис. 15 (а). Этот набросок сделал слушатель доклада, который Жорж Леметр прочел в Кембриджском университете в 1930 году. Надпись внизу свидетельствует, что Леметр не видел никаких причин для участия Бога в Большом взрыве. Он считал, что гипотеза первичного атома – чисто научный вопрос, основанный на физической теории, и решаться он должен в конечном счете астрономическими наблюдениями. Через сорок лет Поль Дирак сделал к этому наброску приписку, приводимую здесь же.

Рис. 15 (b). «Году в 1930-м аббат Леметр приехал в Кембридж и прочел лекцию в Клубе Капицы. Было много споров о проблеме неопределенности в квантовой механике. Леметр упорно твердил, что не верит в то, что Бог непосредственно вмешивается в события в мире атомов.

Во время дискуссии кто-то из присутствующих сделал на память этот набросок. Не помню, кто это был. Леметр на рисунке получился довольно похоже. П. А. М. Дирак. 1 сентября 1971».

И Дирак, и Леметр видели в квантовой механике способ распутать причинный узел, созданный детерминистской перспективой начала Вселенной, – и сделать это, прослеживая корни сложности, приобретенной Вселенной в ходе ее существования, до случайных квантовых скачков на заре ее образования. Эти скачки в каком-то смысле сделали космологическую эволюцию истинно творческим процессом.

Подводя итоги бурного десятилетия открытий, Дирак снова упомянул леметровскую гипотезу первичного атома в 1939 году, в своей лекции при получении премии Вальтера Скотта в Королевском обществе в Эдинбурге: «Новая космология [связанная с расширением Вселенной] в философском смысле, вероятно, окажется даже более революционной, чем теория относительности или квантовая теория, хотя сейчас мы вряд ли можем осознать все таящиеся в ней последствия»[76]. Пройдет семьдесят лет, и мы со Стивеном в нашем научном странствии и вправду столкнемся с некоторыми из этих философских последствий.

В то время, однако, наблюдений, которые могли бы подтвердить гипотезу первичного атома или чего-то вроде него, выполнить не удавалось. После взлета в начале 1930-х космология постепенно сделалась тихой научной заводью: наблюдений в этой области почти не было, зато грандиозных умозрительных построений – хоть отбавляй. Ученые-космологи приобрели сомнительную репутацию тех, кто «часто ошибается, но никогда не сомневается».

По сути, в 1950-х теория Большого взрыва почти исчезла из поля зрения научной общественности. В 1949 году ярый оппонент теории Леметра британский астрофизик Фред Хойл в ходе взятого у него радиокомпанией BBC интервью пустил в обращение словосочетание «Большой взрыв». Он придавал этому выражению иронический оттенок, характеризуя обозначаемое явление как «иррациональный процесс, который не может быть описан на языке науки». Хойл не упустил случая представить космологию Большого взрыва как псевдонауку, упорно внедрявшуюся в общественное сознание согласованными усилиями. Вторя Эддингтону, Хойл констатировал: «У начала Вселенной не может быть никакого причинного объяснения, да и вообще никакого объяснения. Маниакальная страстность, с которой за космологию Большого взрыва хватается корпоративная научная братия, очевидным образом проистекает из глубоко укоренившегося пристрастия к первой странице Книги Бытия – перед нами религиозный фундаментализм во всем своем блеске»[77]. И порекомендовал: «Как только вы услышите слово “происхождение” – не верьте ничему, что вам скажут дальше!»[78]

Вместе с Германом Бонди и Томасом Голдом Хойл предложил альтернативную модель: теорию стационарной Вселенной, которая в 1950-е годы составила Большому взрыву серьезную конкуренцию. Согласно этой теории, хотя Вселенная действительно всегда расширяется, ее средняя плотность остается постоянной: в ней непрерывно происходит образование вещества. Из него формируются новые галактики, которые заполняют образующиеся вследствие разбегания более старых галактик пустоты. В то время как в космологии Большого взрыва бо́льшая часть материи создается в первичном огне, в стационарной Вселенной творение материи – медленный, бесконечно длящийся процесс. У стационарной Вселенной Хойла нет ни начала, ни конца во времени – это какая-то мини-версия мультивселенной, только вместо постоянного образования новых вселенных образуются галактики.

Тем временем известный физик русского происхождения Георгий (Джордж) Гамов – друзья прозвали его Джи-Джи – подверг тщательному рассмотрению экзотическую среду, возникающую в ходе Большого взрыва. Гамов был колоритной фигурой: он обладал каким-то чудесным даром привлекать к себе самых разных людей – от Троцкого и Бухарина до Эйнштейна и Фрэнсиса Крика, причем часто при самых запоминающихся обстоятельствах[79]. Гамов вырос в украинском городе Одесса, а учился в Санкт-Петербурге (Ленинграде), где изучал общую теорию относительности у Александра Фридмана. Раздраженный растущим вмешательством коммунистического государства в интеллектуальную жизнь, Гамов вместе с женой попытался переплыть Черное море в лодке. Они отчалили с южной оконечности Крымского полуострова в сторону Турции, и сначала все шло хорошо, но через два дня они попали в шторм, который отнес их лодку обратно в Крым. Супруги, однако, не сдались: в 1933 году, когда Бор пригласил Гамова принять участие в Седьмом Сольвеевском конгрессе в Брюсселе, они воспользовались этой возможностью и эмигрировали в Соединенные Штаты.

Гамов не был ни математиком, ни астрономом – он был физиком-ядерщиком и представлял Вселенную в первые минуты ее расширения как гигантский ядерный реактор. Вместе с Ральфом Алфером и Робертом Херманом Гамов пришел к выводу, что Большой взрыв был очень и очень горячим. Они задались вопросом, не образовались ли в этом первичном плавильном тигле Вселенной химические элементы, из которых состоим мы сами и все остальное вокруг нас. Гамов рассуждал так: если бы плотность и температура первичной Вселенной были так высоки, что даже атомные ядра не могли бы существовать, Периодическая таблица элементов изначально была бы пустой – в ней был бы только один самый первый элемент, водород, то есть, по сути дела, одни только протоны. Вселенная была бы заполнена сверхплотной горячей плазмой, которую Гамов назвал «Илем» – от греческого ύλη, «материя». Эта плазма состояла бы из свободно движущихся субатомных «строительных кирпичиков» – электронов, протонов и нейтронов, – погруженных в горячий океан излучения. Но когда Вселенная расширилась и остыла, нейтроны и протоны соединились бы и образовали составные атомные ядра. Первым из них был бы дейтерий, тяжелый водород, ядро которого состоит из одного протона и одного нейтрона; ядра дейтерия сами стали бы присоединять к себе протоны и нейтроны, образуя гелий. Применяя законы ядерной физики в условиях расширения пространства, Гамов и его группа рассчитали, что окно для ядерного синтеза в первичной Вселенной должно было открыться примерно через сто секунд после Большого взрыва. Но спустя несколько минут вследствие расширения Вселенной температура упала бы до ста миллионов градусов, и космический ядерный реактор отключился бы. Однако этого короткого промежутка времени было бы достаточно, чтобы примерно четверть всех протонов во Вселенной оказалась внутри гелиевых ядер, да еще совсем небольшого количества более тяжелых элементов, вроде бериллия и лития. Относительное обилие легких элементов, предсказанное Гамовым и его группой, оказалось в прекрасном соответствии с выполненными позже астрономическими измерениями. И сегодня результаты этих вычислений считаются одним из главных подтверждений теории горячего Большого взрыва[80].

Но в работе Гамова, как ни трудно это себе представить, крылось предсказание еще более капитальной важности. Алфер, Гамов и Херман поняли, что тепло, высвобожденное при синтезе атомных ядер, должно все еще существовать в современной Вселенной в виде заполняющего все пространство океана остаточного излучения. Да и куда же ему было деваться? Кроме Вселенной ничего не существует! Вычисления Гамова и его сотрудников показали, что миллиарды лет космического расширения должны были охладить это тепловое излучение до температуры около пяти кельвинов (К), или минус 267 градусов по Цельсию. Столь холодное излучение должно было бы наблюдаться преимущественно в микроволновых частотах электромагнитного спектра. И сегодняшняя Вселенная – все ее пространство – должно быть заполнено этими миллиметровыми волнами. Это было открытие огромной принципиальной важности: Гамов и его сотрудники предсказали существование реликтового остатка горячего Большого взрыва, который мы могли бы видеть, если бы наши глаза были способны воспринимать микроволновое излучение.

И мы увидели его! Нагретые тела должны излучать, и вся Вселенная не может быть исключением из этого правила. Реликтовый космический микроволновой фон, или сокращенно CMB (Cosmic microwave background), был зарегистрирован в 1965 году. Это был звездный час двух американских физиков, Арно Пензиаса и Роберта Уилсона. Ничего не зная о работе Гамова, Пензиас и Уилсон занимались калибровкой гигантской микроволновой рупорной антенны для лаборатории Bell Telephone в Холмделе, штат Нью-Джерси, – она была предназначена для отслеживания баллонных спутников связи «Эхо». В процессе калибровки у антенны обнаружился постоянный неустранимый шум, природа которого была совершенно непонятна. В какую бы точку неба ни направляли антенну, шумовой сигнал с длиной волны 7,35 см не исчезал ни днем, ни ночью. Поговорив с друзьями из местных космологов, Пензиас и Уилсон пришли к ошеломляющему выводу: постоянное «шипение» антенны вызывалось слабым реликтовым излучением горячего Большого взрыва – дошедшим до нас от начала времен посланием, которое провидел Леметр и предвычислил Гамов.

Рис. 16. В память о совместной с Ральфом Алфером статье 1948 года, посвященной синтезу атомных ядер в огне горячего Большого взрыва, Джордж Гамов наклеил на этикетку этой бутылки ликера «Куантро» слово YLEM. Термин «Илем» на средневековом английском обозначает первичную субстанцию, из которой был создан мир.

Открытие Пензиасом и Уилсоном реликтового микроволнового излучения прогремело на весь мир. До мирового научного сообщества наконец дошло, что космологическое расширение реально и оно означает, что прошлое Вселенной непредставимо отличалось от ее настоящего.

Осознание этого факта фундаментальным образом преобразовало ход дискуссии о происхождении Вселенной. Буквально за несколько дней первопричина расширения Вселенной, тайна, которая за тридцать лет до этого восстановила друг против друга Эйнштейна и Леметра, сделалась центральной проблемой теоретической космологии и осталась ею до сих пор.

Леметру рассказали об открытии CMB 17 июня 1966 года, в больнице, всего за три дня до его кончины. Новость о том, что «ископаемые остатки» первоначальной Вселенной, доказывающие правоту его теории, наконец найдены, принес ему близкий друг. Говорят, что на это Леметр сказал: «Я счастлив… теперь у нас есть доказательства»[81].

Сейчас может показаться странным, что «отец Большого взрыва» был католическим священником. Но Леметр хорошо понимал, как лавировать между Эйнштейном и Папой. Он приложил много стараний, чтобы объяснить, почему не видит конфликта между «двумя путями к истине», которыми он решил идти, – наукой и учением о Спасении. В интервью, которое Леметр дал Дункану Эйкману для The New York Times, он, перефразируя известное изречение Галилея о противостоянии науки и религии[82], сказал: «Как только вы осознаете, что Библия не претендует на роль научного справочника, а теория относительности не имеет никакого отношения к Спасению, старый конфликт между наукой и религией исчезает». И добавил: «Я слишком глубоко чту Бога, чтобы низводить Его до научной гипотезы»[83] (см. рис. 5 на вклейке). Работы Леметра с предельной ясностью свидетельствуют, что он не только не видел ни малейшего противоречия между этими двумя сферами, но и позволял себе некоторое легкомыслие в этом отношении. «Оказывается, – сказал он однажды, – в поисках истины приходится разбираться в душах так же хорошо, как в космических спектрах».

В начале 1960-х Леметр – в то время монсиньор Леметр, президент Папской Академии наук – стремился к тому, чтобы целью академии были передовые научные исследования, но при этом сохранялись здоровые отношения с Церковью. А добиваться этого, по его мнению, следовало скрупулезным соблюдением различий между наукой и религией в методологии и в языке. Леметр был далек от конкордизма, стремившегося непременно привести научные открытия в соответствие с истинами вероучения; он настаивал, что и у науки, и у религии есть свое собственное независимое поле деятельности. В этой связи он говорил о своей гипотезе первичного атома: «Такая теория полностью находится вне любого метафизического или религиозного контекста. Она оставляет материалисту свободу отрицать любое трансцендентное Бытие… Для верующего же она устраняет любую возможность [достичь] фамильярности с Богом. Она созвучна словам Исайи о “Сокрытом Боге”, остающемся сокрытым даже в начале творения»[84].

В более формальном смысле на позицию Леметра по этим вопросам, без сомнения, повлияли его штудии в неотомистской школе философии кардинала Мерсье в Лёвене, которые включали в себя вопросы современной науки, но отрицали ее онтологическое значение. В школе Мерсье Леметр научился видеть различие между двумя уровнями существования – между началом физического мира во временном, преходящем смысле и метафизическими вопросами существования: «Мы можем говорить об этом событии [расщеплении первичного атома] как о начале [Вселенной]. Я не говорю “о сотворении [мира]”. Физически все происходит так, как будто это действительно было началом, в том смысле, что, если что-то и происходило раньше, это не имеет никакого наблюдаемого влияния на поведение нашей Вселенной… Любое до-существование нашей Вселенной имеет чисто метафизический характер»[85].

Проведение этого различия и позволяло аббату Леметру рассматривать исследование физического происхождения Вселенной как удачную – и очевидную – возможность для развития естественных наук, в то время как Эйнштейн видел в этой проблеме угрозу физической теории. В основе их спора, таким образом, лежат различные философские позиции – они, по всей видимости, совершенно по-разному понимали, что же именно в конечном счете наука пытается сказать нам о мире. Леметр, как сейчас представляется, исключительно глубоко осознавал, что наша способность заниматься наукой на любом уровне ее абстрактности остается укорененной в наших отношениях со Вселенной. А его двойное призвание вдохновляло его тщательно разделять научную и духовную сферы. Результатом такого подхода была вера, свободная от догматизма, и наука, построенная на условиях человеческого существования. Как-то на устроенных в память Леметра торжествах в его родной деревне одна из его племянниц рассказала мне, что в семейном кругу молодежь часто поддразнивала Жоржа, добиваясь у него ответа, откуда же взялся его «первичный атом». «O, это все Бог», – отшучивался он.

Эйнштейн, наоборот, был идеалистом. Его открытие общей теории относительности представляет собой уникальный прорыв, который укрепил его убеждение в существовании окончательной «теории всего», неких вечных математических истин, определяющих свойства Вселенной и ожидающих своего открытия. Эту позицию отражает фундаментально причинное, детерминистское отношение Эйнштейна ко всем вопросам, имеющим отношение к происхождению Вселенной. Однако вытекающий из его собственной теории относительности ошеломляющий вывод, что Вселенная родилась из Большого взрыва, который также дал начало и времени, этой позиции кардинально противоречит.

В последующих главах я покажу, что взгляды Леметра в конечном счете оказались более надежным указателем направления движения к разгадке «тайны замысла». Антитеза «Эйнштейн против Леметра» отражает и дистанцию, которую спустя семьдесят лет пришлось преодолеть Хокингу. Ранний Хокинг был приверженцем позиции Эйнштейна – мы открываем в физике объективные истины, которые каким-то образом выводят нас за пределы физической Вселенной. Перейдя в истории наших странствий на более глубокий философский уровень, мы увидим, как и почему Стивен порвал с эйнштейновской позицией и пришел к принятию позиции Леметра. Мы узнаем, какие последствия это повлекло не только для нашей концепции Большого взрыва, но и для всей программы развития космологии.

Рис. 17. Когда мы только начали работать вместе, Стивен не знал о пионерской работе Леметра по квантовой космологии. Я отвез его в бывший кабинет Леметра в Премонстратенском колледже в Лёвене показал ему «Манифест Большого взрыва», опубликованный Леметром в 1931 году.

Глава 3

Космогенезис

Парсифаль

Далеко мы, – а я едва иду…

Гурнеманц

О да, мой сын; в пространстве время здесь!..

Рихард Вагнер, «Парсифаль»[86]

В своих воспоминаниях Стивен пишет, что начал интересоваться космологией потому, что хотел достичь глубин ее понимания. Его ненасытное желание задавать все более глубокие вопросы привело его в Кембридж. Осенью 1962 года он приехал в Кембридж из Оксфорда, где прошел начальный курс физики. «В Оксфорде в то время царил дух презрения к работе, – рассказывал он. – Много работать, чтобы получить высокую оценку, считалось признаком “серости” – худшего эпитета в оксфордском словаре не существовало»[87]. Когда дело дошло до итоговых экзаменов, Стивен решил сосредоточиться на задачах теоретической физики – они не требовали знания большого количества фактов. Он получил балл, промежуточный между первым и вторым, и для того, чтобы определить, какой из них ему следует выставить, было назначено интервью с экзаменаторами. Стивен сказал им, что если он получит высший балл, то перейдет в Кембридж, а если второй – останется в Оксфорде. Ему поставили высший балл. В свете дальнейших достижений Стивена можно сказать, что для Оксфорда это было одно из худших решений за всю его 800-летнюю историю.

В Кембридже Стивена записали в студенты к Хойлу, создателю «стационарной Вселенной», хотя еще в начале 1960-х годов его теория подверглась серьезной критике[88]. Хойл, однако, в это время отсутствовал, и вместо него Стивен попал к Деннису Сиаме. Это оказалось огромным везением. Сиама, который и сам был когда-то студентом Поля Дирака, играл роль катализатора идей: он был выдающейся стимулирующей фигурой, превратившей Кембридж в Мекку релятивистской космологии. Находясь в курсе всех крупных достижений мировой физики, Сиама заботился о том, чтобы его студенты знакомились с самыми последними исследованиями. Как только где-нибудь публиковалась интересная статья, он поручал одному из студентов сделать о ней доклад. Когда в Лондоне предстояла чья-то интересная лекция, он посылал студентов на вокзал – пусть съездят послушать. В созданной Сиамой научной среде, полной живого взаимодействия, кипения идей и честолюбивых устремлений, Стивен расцвел. Впоследствии он стремился создать такую же благоприятную и стимулирующую среду для своих собственных студентов.

Когда Стивен появился в кембриджском Тринити Холле, Сиама тоже был приверженцем стационарной модели Вселенной. Он поручил Стивену поработать над ее вариантом, который Хойл предложил, пытаясь спастись от нарастающих теоретических трудностей. Стивен быстро обнаружил, что в новой версии теории Хойла появляются бесконечности, которые приводят к неопределенностям, на что и указал Хойлу на собрании Королевского общества в Лондоне в 1964 году. Когда Хойл спросил: «С чего вы это взяли?», Стивен, и не подумавший испугаться первого астрофизика Британии, ответил: «А я это рассчитал!» – рано продемонстрировав таким образом как свой независимый дух, так и склонность к драматическим ситуациям. Анализ теории стационарной Вселенной позже стал первой главой его докторской диссертации.

Последний гвоздь в гроб стационарной космологии был забит через несколько месяцев открытием космического микроволнового фонового излучения. Существование этого древнего тепла вне всяких сомнений доказывало, что Вселенная не стационарна, но когда-то фундаментально отличалась от своего нынешнего состояния – была очень горячей. Но значило ли это также, что она должна была иметь начало? Ясно, что теперь именно ЭТО стало центральным вопросом космологии Большого взрыва. И Стивен был готов нырнуть в ее глубины.

Сиама свел Стивена с Роджером Пенроузом, который тогда только что опубликовал свою трехстраничную революционную статью о том, что черные дыры встречаются во Вселенной повсеместно. Пенроуз доказал, что, если общая теория относительности верна, то гравитационный коллапс звезды достаточно большой массы приводит к образованию пространственно-временной сингулярности, скрытой от внешнего мира за горизонтом событий. Это черная дыра.

Стивен быстро понял, что, если он обратит направление времени в математических рассуждениях Пенроуза так, чтобы коллапс превратился в расширение, он сможет показать, что расширяющаяся Вселенная должна в прошлом иметь сингулярность[89]. Работая вместе с Пенроузом, он вывел ряд математических теорем, которые говорят, что, если мы проследим историю расширяющейся Вселенной вспять до эпохи, предшествовавшей рождению первых звезд и галактик и даже моменту образования CMB, мы в конечном счете придем к сингулярности, где пространство-время сворачивается в критическую точку. В этой начальной сингулярности обе части уравнения Эйнштейна обращаются в бесконечность – бесконечная кривизна пространства-времени «равна» бесконечной плотности материи, – и именно здесь теория теряет всю свою предсказательную силу. Это похоже на деление на ноль на вашем калькуляторе: вы получите бесконечность, и что бы вы при этом ни вычисляли, это не будет иметь никакого значения. Сингулярности – это поистине края пространства-времени, где общая теория относительности не дает никаких ответов на вопрос «что происходит». Даже само слово «происходит» в пространственно-временной сингулярности теряет смысл.

Ранее Пенроуз показал, что, согласно теории относительности, время внутри черной дыры должно кончаться. Обращенная во времени аргументация Стивена приводила к выводу, что в расширяющейся Вселенной время должно иметь начало. Не то чтобы все дело было в сингулярности Большого взрыва, которая, как космическое яйцо, ждала, пока из нее вылупится Вселенная, – сингулярность скорее сигнализировала о рождении времени. Теорема Стивена демонстрировала, что «точка нулевого времени» в идеально сферических вселенных Фридмана и Леметра была не артефактом, возникшим вследствие простоты этих моделей, но мощным универсальным предсказанием релятивистской космологии. Это и было центральным результатом его докторской диссертации 1966 года – впоследствии он вошел и в подводящую итог его биографии книгу The Theory of Everything («Теория всего»). В резюме своей диссертации Хокинг писал: «Проанализированы некоторые предпосылки и следствия расширения Вселенной… В главе 4 рассматривается появление сингулярностей в космологических моделях. Показано, что, если удовлетворяются определенные условия весьма общего вида, сингулярность неизбежна».

СИНГУЛЯРНОСТИ – ЭТО ПОИСТИНЕ КРАЯ ПРОСТРАНСТВА-ВРЕМЕНИ, ГДЕ ОБЩАЯ ТЕОРИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ НЕ ДАЕТ НИКАКИХ ОТВЕТОВ НА ВОПРОС «ЧТО ПРОИСХОДИТ».

Это поразительный результат. Прогуливаясь по поверхности Земли в местах вроде Большого каньона, можно найти камни возрастом в несколько миллиардов лет. Простейшие формы бактериальной жизни на Земле существуют около 3,5 миллиарда лет, да и сама наша планета ненамного старше – ей примерно 4,6 миллиарда лет. Теорема о сингулярности Большого взрыва говорит, что, если бы мы отошли назад во времени всего втрое дальше – на 13,8 миллиарда лет, – там не было бы ни времени, ни пространства, ничего вообще. Если подумать, мы довольно недалеко ушли от начала мира.

Проживи Стивен еще 54 года после этого, и он, по всей вероятности, разделил бы с Пенроузом Нобелевскую премию по физике 2020 года за их исключительной важности совместную работу о начале и конце времени. Из докторской диссертации Стивена следует, что наше прошлое изображается грушевидной областью пространства-времени вроде той, что мы видим на рис. 18. Этот замечательный набросок сделал Джордж Эллис[90], один из студентов Сиамы, однокурсник Стивена, работавший с ним над теоремами сингулярности в середине 1960-х. Мы находимся на самой верхушке этой «груши». Грушевидная поверхность сформирована световыми лучами, доходящими до нас с различных направлений на небе. Диаграмма изображает воздействие материи Вселенной на форму нашего светового конуса прошлого. Мы видим, что масса вещества внутри области заставляет световые лучи отклоняться от прямых линий; если мы продолжим их траектории в прошлое, они там сойдутся. Вследствие этого прямые световые конусы на рис. 8 и 9 – на этих рисунках гравитационная фокусировка веществом не учитывается – в реальной Вселенной деформируются и прогибаются внутрь, и наш световой конус прошлого образует грушевидную поверхность. Внутренняя часть этой «груши», конечная область пространства-времени, которая может оказывать на нас воздействие, отделяется этой поверхностью от остальной части Вселенной, которая повлиять на нас не может. Ключевой момент доказанной Стивеном теоремы сингулярности в том, что если материя заставляет световые конусы прошлого сходиться таким манером, то историю невозможно расширять до бесконечности. На самом дне прошлого мы достигнем «края времени», границы, за которой пространства и времени во Вселенной больше нет.

Рис. 18. Сделанный в 1972 году Джорджем Эллисом набросок наблюдаемой Вселенной и ее частей (мелкая штриховка), которые мы можем наблюдать в некоторых подробностях. Мы находимся в верхней точке: «здесь и сейчас». Присутствие вещества заставляет световые лучи сходиться в некоторой точке прошлого, выгибая наш световой конус прошлого внутрь и очерчивая грушевидную область: наше прошлое. Поскольку свет устанавливает космический предел скорости, эта область – единственная часть Вселенной, которая в принципе наблюдаема для нас. Согласно теореме Стивена Хокинга, фокусировка световых лучей в прошлом означает, что прошлое должно заканчиваться в исходной сингулярности. Однако мы не можем заглянуть в прошлое на всю его глубину, до самой сингулярности: фотоны, частицы света, постоянно рассеиваются на всех частицах горячей ионизованной плазмы, заполняющей Вселенную на ранних этапах ее существования, и ранняя Вселенная остается непрозрачной.

Набросок Эллиса – космологический аналог знаменитого рисунка Пенроуза, иллюстрирующего образование черной дыры (рис. 11). Сравнивая эти рисунки, мы видим, что космологическое прошлое наблюдателя очень похоже на будущее внутри массивной звезды – и то, и другое существует только на протяжении конечного времени. Но есть и одно критически важное различие: в то время как горизонт событий черной дыры заслоняет внешнего наблюдателя от разрушительного воздействия находящейся внутри сингулярности, сингулярность Большого взрыва лежит внутри нашего космологического горизонта. Расширяющаяся Вселенная напоминает черную дыру, вывернутую наизнанку и перевернутую вверх дном. Начальная сингулярность – это почти буквально оставшийся в прошлом край нашего светового конуса. В принципе, мы можем его увидеть, стоит только внимательно поглядеть на небо. Конечно, проникнуть взглядом через всю толщу времени к самому его началу будет нелегко – на самых ранних стадиях расширения Вселенной свет непрерывно рассеивался на частицах плазмы. Смотреть сквозь время на Большой взрыв – все равно что смотреть на Солнце: ведь то, что мы видим, глядя на Солнце, на его сверкающий диск с относительно резкими краями, это в действительности та его поверхность, где фотоны, порожденные при слиянии ядер в глубоких недрах Солнца, в последний раз испытывают рассеяние на частицах солнечной плазмы. С этой-то поверхности, называемой «фотосферой», фотоны и улетают к нам – больше им уже ничего не мешает. Но именно это рассеяние фотонов и не дает нам глубже заглянуть внутрь Солнца – его внутренние области непрозрачны.

Похожим образом, постоянно происходящие рассеяния фотонов в горячей плазме, заполняющей раннюю Вселенную, образуют нечто вроде тумана, не дающего нам разглядеть самые ранние ее эпохи – по крайней мере, с помощью оптических телескопов. Новорожденная Вселенная сделалась прозрачной только через 380 000 лет после Большого взрыва, когда она остыла до комфортной температуры в три тысячи градусов Цельсия. Такая температура энергетически благоприятна для того, чтобы атомные ядра соединялись с электронами, образуя нейтральные атомы. Это значило, что свободно движущихся электронов, на которых могли бы рассеиваться легкие частицы, очень скоро почти не осталось, и фотоны начали свой беспрепятственный полет в космическом пространстве. Длины их волн постепенно растягивались, и в согласии с расширением Вселенной растянулись тысячекратно – то, что вначале было красным тепловым излучением, сегодня, миллиарды лет спустя, приходит к нам в виде излучения микроволнового диапазона. Карта распределения по небу космического микроволнового излучения, показанная на рис. 2 в главе 1, дает нам снимок Вселенной в тот момент времени, когда она стала прозрачной, – но это распределение одновременно и скрывает от нас вид самого Большого взрыва. Это космологический аналог – только «навыворот» – фотосферы Солнца.

Если поразмышлять о сингулярности, которая ограничивает наше прошлое в общей теории относительности, особенно загадочным выглядит тот факт, что реликтовое CMB-излучение распределено во Вселенной с почти идеальной однородностью. Как я уже говорил в главе 1, разноцветные пятна на рис. 2 соответствуют различиям температуры в разных участках неба, не превышающим десятитысячной доли градуса. По всей видимости, Большой взрыв происходил почти в точности одинаковым образом во всех без исключения областях наблюдаемой Вселенной. И это – еще одно из ее загадочных биофильных свойств. В случае фотосферы Солнца почти однородное распределение температуры по ее толще – именно то, чего и следует ожидать: ведь все фотоны, излучаемые с поверхности Солнца, многократно обменивались тепловой энергией с веществом солнечных недр. Естественно, в результате все они приобрели почти одинаковую температуру – так же, как при смешивании холодного молока с горячим чаем во всем объеме жидкости быстро устанавливается одна и та же температура (во всяком случае, если дело происходит в Англии).

Но взаимодействия обеспечить фантастическую однородность CMB-излучения не могли. Времени, прошедшего с момента Большого взрыва, было явно недостаточно для того, чтобы физический процесс, даже происходящий со скоростью света, привел к выравниванию температурных неоднородностей до того, как древние CMB-фотоны вырвались на волю и начали свободный полет к нам. Это иллюстрирует рис. 19, который представляет прошлое наблюдателя во Вселенной, образованной горячим Большим взрывом, чуть точнее, чем набросок Эллиса (рис. 18). Фотоны микроволнового фона, приходящие к нам с противоположных направлений на небе, начинают свое движение из точек A и B нашего светового конуса прошлого, но световые конусы прошлого каждой из этих точек не пересекаются при движении вспять во времени вплоть до его начала. Это означает, что с момента Большого взрыва между A и B не мог пройти ни один световой сигнал. А так как скорость света ставит верхний предел скорости распространения любого сигнала, это значит, что какой бы то ни было физический процесс не мог связать друг с другом области вокруг точек A и B и установить тем самым вокруг них общую среду с почти идентичной температурой. Как говорят физики, области вокруг точек A и B лежат вне космологических горизонтов друг друга.

Рис. 3. Наше прошлое, согласно модели горячего Большого взрыва 1960-х. Вершина конуса – наше «здесь и сейчас». Фотоны микроволнового фона, приходящие к нам с противоположных направлений на небе, происходят из точек A и B на нашем световом конусе прошлого.

Эти точки находятся далеко за пределами космологических горизонтов друг друга: их собственные грушевидные световые конусы прошлого не пересекаются друг с другом на всем их протяжении, если двигаться назад во времени вплоть до его начала. И все же наблюдаемые температуры фотонов, приходящих из точек A и B, одинаковы с точностью до одной тысячной доли процента. Как это возможно?

Фактически, когда в модели горячего Большого взрыва 1960-х мы наблюдаем CMB в направлениях, разделенных на небе более чем на несколько градусов, мы видим участки Вселенной, которым еще предстоит войти в контакт друг с другом. Наша сегодняшняя наблюдаемая Вселенная должна включать в себя не менее чем несколько миллионов таких независимых космических областей, ограниченных каждая своим горизонтом. В свете этого почти идеальная однородность CMB-излучения по небу становится не просто загадочной, но поистине таинственной. Если бы Эддингтон или Эйнштейн узнали об этом, «загадка горизонта» могла бы подтвердить их худшие опасения касательно идеи происхождения Вселенной – как если бы древние викинги, высадившись в Северной Америке, услышали, что аборигены разговаривают на их, викингов, языке.

Странная получается ситуация. Теорема Хокинга о сингулярности утверждает, что у Вселенной было начало. Но о том, как она началась, не говоря уж о том, почему при ее взрывном рождении в ней появилось почти идеально однородно распределенное CMB и множество других биофильных свойств, теорема умалчивает. Более того, она как бы выносит все вопросы об первопричине происхождения Вселенной и ее устройства за пределы науки, как будто оставляя их решение на произвол эддингтоновских сверхъестественных сил. Об этом нет необходимости философствовать – теория относительности предсказывает свой собственный крах. В диссертации Хокинга Большой взрыв – событие, не имеющее объяснения, потому что сингулярность на дне нашего прошлого возвещает нам о крахе времени, пространства и причинности, вместе взятых. Как сказал великий Джон Уилер, «существование пространственно-временных сингулярностей кладет конец принципу достаточного основания, а тем самым и предсказательной силе науки»[91]. Как это может быть? Как может физика вести к разрушению самой себя – к отрицанию физики? Чтобы распутать этот узел, нам придется более внимательно посмотреть, что в действительности имеют в виду физики, когда обещают предсказать, что произойдет.

Со времен Галилея и Ньютона физике присуща двойственность: она опирается на два резко различных источника информации. Во-первых, существуют законы эволюции: математические уравнения, описывающие, как физические системы изменяются во времени, переходя из одного состояния в другое. Во-вторых, имеются граничные условия: исчерпывающее описание состояния системы в данный момент времени. Используя законы эволюции, мы берем некоторое состояние и прослеживаем его развитие либо ретроспективно, либо вперед, то есть определяем, что система собой представляла в некоторый момент раньше или какой она будет в некоторый момент будущего. Именно сочетание законов эволюции и граничных условий устанавливает рамки для предсказаний, которые составляют предмет гордости физики и космологии.

Представьте, к примеру, что вы хотите предсказать, где и когда произойдет следующее солнечное затмение. Для этого мы можем использовать ньютоновы законы движения и тяготения и описать с их помощью будущие траектории Земли и Луны. Однако, чтобы применить эти законы, придется сначала задать положения и скорости Земли и Луны (и Юпитера в придачу) относительно Солнца в некоторый конкретный момент времени. Эти данные – описание состояния двух небесных тел в некоторый момент – и составляют граничные условия. Никто не требует, чтобы законы Ньютона объяснили, почему в этот момент положения тел именно таковы. Мы просто измерили их. Располагая этой информацией, мы теперь решим уравнения Ньютона и определим положения этих тел в любой другой момент времени в будущем, чтобы предсказать время и место следующего солнечного затмения, или в прошлом – чтобы задним числом подтвердить документированный момент, в который затмение уже произошло.

Этот пример показывает, как вообще делаются предсказания в физике. Физики полагают, что эволюция управляется универсальными законами Природы – законами, установлению которых и посвящена их деятельность. Но граничные условия содержат конкретную информацию о той или иной системе – они не рассматриваются как часть законов. В каком-то смысле граничные условия служат для очерчивания конкретных вопросов, которые мы решаем с помощью физических законов. В сущности, тот или иной динамический закон, вроде закона Ньютона, и конструируется из обобщенного опыта наблюдений в широком диапазоне различных граничных условий. Это и придает уравнениям универсальный характер и гибкость, необходимые для описания широкого разнообразия явлений. Выходит, что законы физики чем-то похожи на шахматные правила: как ни важны они сами по себе, они нужны вам только для того, чтобы понять, какой ход надо сделать в данной конкретной партии.

Но является ли различие между имеющими вид законов динамическими правилами игры и произвольными граничными условиями фундаментальным свойством Природы? Конечно, это различие вполне естественно и приемлемо в лабораторных ситуациях с их резким противопоставлением управляемого нами технического оборудования эксперимента – граничных условий – и законов, проверить или установить которые мы собираемся посредством данного эксперимента. Но в космологии это различие угрожает стать главным затруднением: ведь все наши эксперименты вместе с самими экспериментаторами, планетами, звездами и галактиками сами являются частью гораздо более масштабного процесса эволюции Вселенной как целого. Выходит, что при решении любой космологической задачи граничные условия исходного эксперимента сами определяются законами эволюции более крупномасштабной системы вместе с ее граничными условиями. Если вернуться к нашему примеру солнечного затмения, космолог-холистик мог бы сказать, что скорости и положения всех планет на любой данный момент – исходные граничные условия задачи – проистекают из истории этих планет, и что сама система «Солнце – Земля – Луна» есть результат истории формирования Солнечной системы в целом; а Солнечная система в свою очередь возникла вследствие конденсации остатков звездных систем предыдущих поколений, которые в конечном счете возникли из мельчайших вариаций плотности первичной Вселенной, а те произошли из… из чего?

И вот, когда мы доходим до самого начала, мы натыкаемся на парадокс: что определяет первичные граничные условия происхождения Вселенной? Ясно, что их выбираем не мы; не можем мы и заняться подстановкой различных возможных условий, чтобы посмотреть, какие виды вселенных при этом будут получаться. Таким образом, при описании начала Вселенной мы сталкиваемся с задачей отыскания граничных условий, которыми мы не управляем. И что интересно, начальные условия Большого взрыва оказываются заданными теми самыми законами, которые мы и стремимся найти. Однако описанный выше дуализм физики предполагает, что начальные граничные условия не являются частью физических законов. Более того, доказанная Стивеном теорема о сингулярности, в соответствии с которой пространство-время и все известные физические законы в момент Большого взрыва не существуют, тоже вроде бы согласуется с таким воззрением. Заметим, что этот парадокс возникает только в космологическом контексте: ведь только когда мы представляем себе эволюцию Вселенной во всей ее полноте, у нас не может быть никакого более раннего момента времени или большего объема пространства, которыми мы могли бы воспользоваться для выбора и определения граничных условий.

Стивен более, чем кто-либо иной из физиков его поколения, чувствовал, что научное понимание происхождения Вселенной потребует принципиального расширения столетиями не изменявшихся рамок физических предсказаний. Он видел, что мир не укладывается в узкие границы схемы «динамика – начальные условия». Этой проблемы он коснулся уже в своей диссертации, написав: «Одна из слабостей эйнштейновской теории относительности состоит в том, что, хотя она обеспечивает динамические полевые уравнения, она не устанавливает для них граничных условий. Следовательно, теория Эйнштейна не дает уникальной модели Вселенной. Очевидно, что теория, которая обеспечила бы граничные условия, была бы очень привлекательной… Теория Хойла именно такова. К сожалению, ее граничное условие исключает существование вселенных, которые, по-видимому, соответствуют реальной Вселенной, а именно ее расширяющихся моделей». Более подробно Хокинг осветил этот вопрос спустя почти пятнадцать лет в своей инаугурационной лекции при вступлении на Лукасовскую кафедру. Эта кафедра математики была основана в 1663 году Генри Лукасом, бывшим студентом Колледжа св. Иоанна, филантропом и политиком, членом парламента от Кембриджского университета. Годовое жалованье лукасовского профессора тогда составляло 100 фунтов. С 1669 по 1702 год кафедру занимал не кто иной, как Исаак Ньютон (Стивен часто саркастически замечал, что она в то время не была моторизована). К счастью для Ньютона, в документе об основании кафедры специально оговаривалось, что лукасовскому профессору не следует принимать священнического сана в англиканской церкви. Это означало, что Ньютон освобождался от принесения клятвы в вере в Святую Троицу – что было бы для него просто невозможно[92].

Стивен был избран семнадцатым лукасовским профессором в 1979 году. В инаугурационной лекции «Близок ли конец теоретической физики?», находясь на вершине своей уверенности в могуществе физической теории, он выдвинул спорное предсказание о том, что к концу столетия физики построят «теорию всего». И продолжал: «Полная теория заключает в себе кроме динамической теории также и набор граничных условий». Поясняя свое положение, он сказал: «Многие упорно утверждали, что роль науки ограничивается только первой из этих составляющих и что теоретическая физика достигнет своей цели, когда мы получим систему локальных динамических законов. Они считали, что вопрос граничных условий Вселенной относится к сфере метафизики или религии. Но у нас не будет полной теории, пока мы сможем всего лишь повторять, что вещи таковы, каковы они есть потому, что они были такими, какими они были».

Итак, Стивен, вечно оптимистичный и безудержный в амбициях, не желал оставаться заложником своей собственной теоремы о сингулярности. Существование исходной сингулярности, рассуждал он, как и многие другие, на самом деле говорит нам не о том, что причине Большого взрыва суждено остаться непознаваемой, но о том, что эйнштейновское описание гравитации в терминах деформируемого пространства-времени перестает работать в экстремальных условиях рождения Вселенной. Когда мы погружаемся в детали Большого взрыва, на первый план выходят мелкомасштабные квантовомеханические случайности. Можно было бы сказать, что пространство и время отчаянно стремятся выломаться из жестких рамок детерминистской теории Эйнштейна. В конечном счете, несмотря на все его изгибы и деформации, пространство-время в общей теории относительности – крайне жестко ограниченная структура, состоящая из определенной последовательности форм пространства, скрупулезно пригнанных и вставленных друг в друга наподобие «матрешек», в результате чего и образуется четырехмерное пространство-время. Хокинговская теорема о сингулярности Большого взрыва больше, чем что-либо иное, продемонстрировала крайнюю серьезность конфликта между относительностью и квантовой теорией. Она снова подтвердила интуитивную догадку Леметра о том, что космогенез есть сугубо квантовое явление и что если мы хотим разгадать загадку творения на основе научного подхода, мы должны каким-то образом найти путь к объединению этих двух с виду противоречащих друг другу глубинных принципов Природы. Ключевой мотив интуиции Стивена заключался в том, что такое объединение будет чем-то значительно большим, чем простым уточнением существующих рамок предсказательного аппарата физики, что оно потребует от нас переосмысления самих этих рамок, вывода физики за пределы устаревшего дуализма законов и граничных условий, эволюции и творения.

Упоминание квантовой механики, второго краеугольного камня современной физики, уже не впервые встречается на этих страницах. Она возникла из неожиданных результатов экспериментов с атомами и светом в самом начале XX века. Эти результаты нельзя было объяснить никаким расширением классической механики Ньютона. Создание теории квантов в бурные годы начала XX века остается одним из лучших примеров международного сотрудничества в человеческой истории. С тех времен на протяжении всего столетия квантовая механика шла от одного триумфа к другому, сделавшись самой мощной и с наибольшей точностью протестированной научной теорией всех времен. Она применима ко всем известным видам частиц. Идет ли речь о мелких деталях взаимодействия элементарных частиц или о механизме синтеза атомов в недрах далеких звезд – предсказания квантовой механики всегда идеально соответствуют экспериментальным данным. И как созданная Максвеллом классическая теория электромагнетизма заложила основы второй промышленной революции, так и принципы квантовой теории стали фундаментом сегодняшних технологий. А ведь мы, возможно, видим сейчас только верхушку айсберга – квантовые технологии обещают дать гораздо больше. В недалеком будущем физики и инженеры надеются использовать внутреннюю неопределенность микромира для хранения и обработки информации совершенно новыми способами: манипулируя индивидуальными квантовыми битами, или кубитами, и прокладывая тем самым путь к эпохе квантовых компьютеров.

Квантовая революция началась в 1900 году, когда немецкий физик Макс Планк предположил, что любые виды нагретых тел излучают энергию в виде малых дискретных порций, названных им квантами. Планк пытался объяснить, какое количество света каждого цвета излучает горячее тело. Из классической теории Максвелла он знал, что свет состоит из электромагнитных волн с различными частотами колебаний, соответствующими разным цветам. Трудность была в том, что классическая физика предсказывала: энергия, излучаемая нагретым телом, должна быть равномерно распределена между волнами всех частот. Так как в теории Максвелла рассматривались электромагнитные волны неограниченно высоких частот, получалось, что общая излученная энергия, просуммированная по всем частотам, должна быть бесконечной – результат очевидно невозможный. Это и было второй «тучкой» из двух замеченных лордом Кельвином на безоблачном горизонте классической физики. Сложившаяся ситуация получила название «ультрафиолетовой катастрофы» – так как самые высокие частоты видимого света соответствуют фиолетовому цвету, термин «ультрафиолет» относится к еще более высоким частотам.

Тогда Планк совершил то, что он впоследствии описал как «акт отчаяния». Он выдвинул предположение невероятной смелости и новизны: что свет, как и все другие электромагнитные волны, может излучаться только в виде дискретных квантов и что энергия каждого кванта тем выше, чем больше частота этих волн. Квантовая гипотеза Планка резко уменьшила излучение высокочастотных волн, тем самым устранив ультрафиолетовую катастрофу. В 1905 году Эйнштейн пошел еще дальше: он показал, что электроны, движущиеся в металлах, тоже поглощают свет только в виде дискретных квантов, которые он описал как крохотные частицы – фотоны. Так что получалась любопытная ситуация: в первых же идеях квантовой физики свет представал как нечто, имеющее свойства не только волн, но и частиц. Это вносило некоторую неразбериху.

Смятение еще усилилось, когда подобно тому, что Планк сделал в отношении света, датский физик Нильс Бор использовал идею квантов для объяснения существования устойчивых атомов – еще одного очевидного свойства физического мира. Бор, в честь которого даже назван химический элемент борий[93], учился в Манчестере у британского физика Эрнеста Резерфорда, который экспериментально установил, что внутренняя структура атома представляет собой в основном пустоту с крохотным ядром посредине. Резерфорд представлял себе атомы в виде миниатюрных планетных систем, в которых отрицательно заряженные электроны обращаются по орбитам вокруг плотного центрального ядра, несущего положительный заряд. Так как противоположные заряды притягиваются, электроны удерживаются на орбитах вокруг ядра. Но незадача была в том, что, согласно максвелловской классической теории электромагнетизма, движущийся по орбите электрон излучает энергию, что должно заставить его двигаться по спирали к ядру и в конце концов столкнуться с ним. Значит, все атомы во Вселенной должны были очень быстро коллапсировать, и нас бы не существовало. Чтобы разрешить это очевидное несоответствие реальности, Бор предположил, что электроны не могут обращаться вокруг ядра по орбитам любого радиуса, а только на определенных расстояниях. Другими словами, Бор квантовал возможные электронные орбиты. Теперь электроны уже не должны были падать на ядра по спирали, атомы были спасены от быстрого – теоретического – коллапса, a Бор в 1922 году получил за свое открытие Нобелевскую премию.

В 1911 году по приглашению бельгийского промышленника Эрнеста Сольвея пионеры квантовой теории собрались в Брюсселе на одну из самых первых международных физических конференций. Это было время, когда международное сотрудничество культивировалось в Бельгии на уровне государственной политики. Сольвей был свободомыслящим мечтателем, который, впрочем, сколотил состояние на том, что изобрел новый процесс синтеза кальцинированной соды и создал разветвленную сеть ее производства и доставки. Потом он отошел от дел и стал заядлым альпинистом – несколько раз совершал восхождения на Маттерхорн и даже сумел увлечь альпинизмом бельгийского короля Альберта I, что в конечном счете привело к непредвиденным и катастрофическим последствиям[94].

Первый Сольвеевский конгресс, проходивший в шикарном отеле «Метрополь» в центре Брюсселя, быстро приобрел поистине легендарный статус: именно на нем ученые наконец осознали грандиозное революционное значение ранних квантовых идей. Он обозначил водораздел между классической физикой XIX века и физикой квантов, которой суждено было царить в веке XX. Председательствовал на конгрессе знаменитый голландский физик Хендрик Лоренц; в его вступительной речи ясно слышались растерянность и ошеломление, которые этот мэтр классической физики чувствовал при первом столкновении с квантовым миром. «Современные исследователи сталкиваются со все более и более серьезными трудностями, когда пытаются описать движение малых частиц вещества… В настоящее время мы еще далеки от полностью удовлетворительных результатов… Напротив, мы сейчас видим, что оказались в тупике: старые теории оказались не в состоянии проникнуть сквозь тьму, обступившую нас со всех сторон»[95]. Однако на этой конференции, обсудив все, не договорились ни о чем. По-прежнему не было согласия по вопросу о том, можно ли каким-то образом подлатать классическую физику, чтобы она могла приспособиться к существованию квантов. Общее настроение хорошо выразил Эйнштейн: «Квантовая болезнь выглядит все более безнадежной. Никто ничего, в сущности, не знает. Вся эта история доставила бы наслаждение отцам-иезуитам. Общее впечатление от конференции – плач на развалинах Иерусалима».

Все изменилось в середине 1920-х, когда новое поколение квантовых физиков разработало для описания взаимодействия атомов и субатомных частиц фундаментально новый аппарат: квантовую механику.

Центральным положением новой механики стал знаменитый принцип неопределенности, сформулированный молодым немецким гением Вернером Гейзенбергом: невозможно одновременно знать и точное положение частицы, и ее скорость. Сам Гейзенберг выразил это так: «Чем более точно определено положение [частицы], тем с меньшей точностью в этот момент времени известно ее количество движения [или скорость], и наоборот»[96]. Максимум, на что можно надеяться в квантовой механике, – это «размытая картинка», в которой положения и скорости частиц известны приближенно.

В сущности, все измеримые величины подвержены квантовой неопределенности в степени, определяемой принципом Гейзенберга. Эту неопределенность невозможно устранить более внимательным рассмотрением ситуации или измерением параметров частиц при помощи какого-нибудь хитроумного способа, позволяющего обойти указанный принцип. В этом отношении дело обстоит не так, как, скажем, при случайных изменениях курсов акций на фондовой бирже, которые только кажутся непредсказуемыми, – просто люди не располагают всей полнотой информации, необходимой для вычисления будущего поведения курсов ценных бумаг. Квантовая неопределенность Гейзенберга имеет совершенно иную, фундаментальную природу. Соотношение Гейзенберга налагает жесткие ограничения на количество информации, которое в принципе можно извлечь из физических систем. Получается любопытная вещь: квантовая механика оказывается теорией, которая рассказывает нам не только о том, что именно мы знаем, но и о том, чего мы не можем узнать. Именно эта странная особенность окажется ключевой, когда в главах 6 и 7 мы будем рассматривать мультивселенную с квантовой точки зрения.

Великолепным достижением основателей квантовой механики середины 1920-х было описание этой квантовой «размытости» в рамках соответствующего математического формализма. Нет ничего удивительного в том, что построенная ими теория давала гораздо более текучую и скользкую картину механики, чем та, которую предлагал ее привычный классический вариант. Например, квантовая механика потребовала забыть о старинной мечте научного детерминизма, об идее, что наука должна уметь давать точные и определенные предсказания будущего хода событий. Взамен появилось новое представление: мы можем предсказать лишь вероятности различных возможных исходов измерений. Квантовая механика утверждает, что, если мы снова и снова повторяем один и тот же эксперимент, результат его, вообще говоря, не будет каждый раз одним и тем же.

Возможно, первым человеком, мимоходом столкнувшимся с фундаментальным индетерминизмом, вплетенным в процессы, действующие в микромире, был Резерфорд. В 1899 году, изучая внутреннее строение атомов, Резерфорд воспользовался радиоактивным источником – кажется, урановым, – чтобы бомбардировать альфа-частицами тонкую золотую фольгу. Наблюдая возникающие вследствие этой бомбардировки вспышки света, Резерфорд скоро понял, что направления и времена прихода излучаемых альфа-частиц случайны. Согласно квантовой механике, это объясняется тем, что, хотя для уранового ядра существует определенная вычисляемая вероятность того, что за некоторое фиксированное время оно распадется, знать наперед, когда именно распадется данное ядро, невозможно. Квантовая механика предсказывает только вероятности различных времен прихода и траекторий движения излучаемых при радиоактивном распаде альфа-частиц, но не существует никакого тайного знания – и нет никакой надежды его отыскать, – при помощи которого мы могли бы предсказать точный момент прихода конкретной альфа-частицы или направление, в котором она будет двигаться. Сила квантовой теории – и одновременно ее странность – именно в том, что она включает в себя неустранимые неопределенность и случайность, пропитывающие микромир и составляющие основание его математического описания. Да, законы квантовой механики сводятся к бросанию костей, а не к предсказаниям определенных исходов наблюдений; они требуют от нас признать, что самое большее, что мы можем сделать, – это предсказать вероятность того или иного результата.

Пожалуй, наиболее ясно сформулировал эту ключевую особенность квантовой теории австрийский физик Эрвин Шрёдингер. В 1925 году Шрёдингер вывел свое замечательное уравнение, которое описывает частицы не как мельчайшие точечные объекты, но как протяженные волнообразные сущности. Но – и это критически важно – волны, которые оно описывает, не являются физическими волнами. Шрёдингер не имел в виду, что физические частицы в каком-то смысле размазаны в пространстве. Волны квантовой теории чуть более абстрактны. Они больше напоминают «волны вероятности», которые описывают различные возможные положения точечных частиц. Формализм Шрёдингера учитывает квантовую неопределенность так: положения, в которых значения его волны велики, и есть как раз те положения, где частица скорее всего и находится; положения, где значения волны малы, есть те положения, где нахождение частицы маловероятно. Так что квантовые волны чем-то похожи на волны преступности: приход волны преступности в ваш район означает, что вероятность совершения преступлений по соседству с вашим жилищем возрастает. Точно так же, если волновая функция электрона в вашем устройстве достигает пика, значит, электрон, скорее всего, будет устройством зарегистрирован[97].

Если задан волнообразный профиль частицы на определенный момент времени – физики называют его волновой функцией, – уравнение Шрёдингера позволяет предсказать, как он будет эволюционировать с течением времени, возрастая в некоторых точках и падая во всех остальных. Таким образом, квантовая теория следует дуалистической схеме предсказания, которую я обрисовал выше: имеющая вид закона динамика в сочетании с заданными граничными условиями. Уравнение Шрёдингера есть закон эволюции и нуждается в начальном условии, имеющем форму волновой функции частицы на данный момент – она определяет, что именно претерпевает эволюцию. Ключевое отличие от классической механики Ньютона и Эйнштейна в том, что квантовая теория предсказывает только вероятности наступления определенных событий в предстоящие моменты времени, а не строго определенные значения. Но дуалистическая, двойственная природа самих рамок, в которых делаются предсказания, остается неизменной.

Так как волновые функции есть волны вероятности, мы можем получать о них только косвенные сведения. Квантовые волны Шрёдингера в некотором роде описывают мир на уровне предсуществования. Пока мы не измерили положения частицы, нет смысла даже спрашивать, где она находится. Она не имеет определенного положения – только потенциальные положения, описываемые волной вероятности, в которой закодирована степень достоверности того, что если бы мы стали ее искать, то нашли бы в той или иной точке. Это выглядит так, как будто мы вынуждаем частицы принимать то или иное положение, глядя на них; как будто осязаемая физическая реальность существует только в той степени, в которой мы взаимодействуем с миром путем наблюдения и экспериментирования. Как однажды сказал об этой ситуации Уилер: «Нет вопроса – нет ответа!»

Туманную, волновую природу квантового мира живо иллюстрирует знаменитый эксперимент с двойной щелью. Схема этого опыта представлена на рис. 20. Электронная пушка обстреливает электронами барьер, в котором имеются две узких параллельных щели; за барьером установлен экран, и когда в него попадает электрон, в этой точке экрана регистрируется слабая вспышка. Допустим, мы настроили пушку так, что она стреляет одиночными электронами, скажем, раз в несколько секунд. Тогда мы увидим, что каждый электрон, который проходит сквозь щель в барьере, попадает в определенную точку на экране и производит вспышку. То есть индивидуальные электроны не рассеиваются, и в этом нет ничего удивительного – такова природа электронов как частиц. Однако, если мы будем продолжать этот эксперимент в течение некоторого времени, накапливая информацию о положениях точек попадания в экран многих электронов, на экране постепенно появится интерференционная картина: система ярких и темных полос, напоминающая ту, которую мы видим при наложении участков двух волн (см. рис. 20). Подобные интерференционные узоры в эксперименте с двойной щелью наблюдались и с участием других частиц: фотонов, атомов и даже молекул.

КВАНТОВЫЕ ВОЛНЫ ЧЕМ-ТО ПОХОЖИ НА ВОЛНЫ ПРЕСТУПНОСТИ: ПРИХОД ВОЛНЫ ПРЕСТУПНОСТИ В ВАШ РАЙОН ОЗНАЧАЕТ, ЧТО ВЕРОЯТНОСТЬ СОВЕРШЕНИЯ ПРЕСТУПЛЕНИЙ ПО СОСЕДСТВУ С ВАШИМ ЖИЛИЩЕМ ВОЗРАСТАЕТ.

Рис. 20. Знаменитый эксперимент с двойной щелью, впервые выполненный с электронами в 1927 году в лаборатории компании «Белл», продемонстрировал, что электрон – частица, имеющая и волновые свойства. Квантовая механика объясняет появление интерференционной картины на экране, описывая каждый индивидуальный электрон как распространяющуюся в пространстве волновую функцию, которая расщепляется на щелях. Затем, распространяясь по другую сторону щелей, ее участки накладываются друг на друга и создают на экране картину распределения высоких и низких вероятностей попадания.

Интерференционные картины свидетельствует о том, что каждая индивидуальная частица обладает некими глубоко волновыми свойствами, которые позволяют ей «знать» о существовании обеих щелей. Именно эти свойства и отражает волновая функция частицы. Описывая электроны не как движущиеся частицы, но как распространяющиеся волны вероятности, уравнение Шрёдингера предсказывает, что, совсем как интерферирующие волны на поверхности пруда, участки волновой функции электрона, выходящие из щелей, будут накладываться и переплетаться, образуя в результате картину высоких и низких значений, которые соответствуют высоким и низким вероятностям попадания каждого индивидуального электрона в ту или иную точку экрана. Там, куда волновые фрагменты, выходящие из обеих щелей, прибывают синхронно друг с другом, они усиливают друг друга; там, куда они прибывают в противофазе, они взаимно гасятся. Когда пушка выстреливает одну частицу за другой, накопленное распределение положений точек их попадания в экран соответствует вероятностному профилю, закодированному в волновой функции каждой индивидуальной частицы, в результате чего и возникает наблюдаемая интерференционная картина. Получается, что каждая индивидуальная частица «знает» о существовании обеих щелей именно на этом глубоком уровне своей волны вероятности.

Вероятностные предсказания квантовой теории согласуются с результатами всех когда-либо выполнявшихся экспериментов с частицами. Но здравому смыслу эти квантовые правила противоречат. Квантовое описание частиц как абстрактных волновых наложений взаимно противоречивых реалий расходится с нашим ежедневным опытом, согласно которому объект находится в каком-то определенном месте – либо в одном, либо в другом. И конечно, это – по крайней мере иногда – беспокоило отцов-основателей теории квантов. По словам Эрвина Шрёдингера, квантовая Вселенная «даже не является мыслимой», ведь «как мы ни думаем о ней, получается нелепость; возможно, не настолько бессмысленная, как “треугольный круг”, но в гораздо большей степени, чем “крылатый лев”»[98].

Спустя два десятилетия контринтуитивная природа квантовой механики не давала покоя и Ричарду Фейнману. Ученик визионера Уилера, Фейнман стал одним из самых влиятельных физиков XX века, он внес огромный вклад во многие области знания, от физики частиц до теории тяготения и до науки о вычислениях. Всемирная слава пришла к Фейнману, когда, будучи членом Президентской комиссии Роджерса, расследовавшей катастрофу «Челленджера», он в ходе телевизионных слушаний в прямом эфире продемонстрировал роковой дефект уплотнительных колец шаттла. Позже в отчете комиссии он специально подчеркнул: «Чтобы техника работала успешно, реальность надо ставить выше благоприятного публичного освещения – ведь природу вокруг пальца не обведешь».

Если Уилер был мечтателем, то Фейнман – человеком действия. Уилер размышлял о глубоком прошлом и отдаленном будущем, об основаниях физической реальности и фундаментальной природе научного поиска. Фейнман стремился заставить физику работать здесь и сейчас. «Все, что меня интересует, – это попытаться найти систему правил, с помощью которых можно делать предсказания, доступные экспериментaльной проверке, и не заходить чересчур далеко за пределы этой системы», – говорил он[99]. В таком духе в конце 1940-х Фейнман приступил к разработке более интуитивного и практического подхода к квантовым частицам и их волновым функциям. Идея Фейнмана состояла в том, чтобы представить частицы в виде локализованных объектов, но таких, которые, двигаясь из одной точки в другую, следуют сквозь пространство-время всеми возможными путями (см. рис. 21). Классическая механика полагает, что объекты выбирают в пространстве-времени единственную траекторию. Следовательно, классическая система имеет уникальную и четко определенную историю. Квантовая же механика, утверждал Фейнман, предполагает более широкий взгляд на историю системы: она исходит из того, что все возможные пути реализуются одновременно, хотя некоторые из них более вероятны, чем другие.

Рис. 21. Классическая механика Ньютона требует, чтобы частицы перемещались между двумя точками A и B в пространстве-времени единственным путем. Квантовая механика говорит, что частица выбирает все возможные траектории. Теория квантов предсказывает только вероятность прибытия частицы в точку B по траектории, представляющей собой взвешенное среднее всех путей между A и B.

Например, эксперимент с двумя щелями Фейнман понимал так: индивидуальные электроны следуют от пушки до экрана не по одному, а по всем возможным путям. Один путь ведет электрон сквозь левую щель, другой сквозь правую, по третьему электрон может сначала пройти через правую щель, затем вернуться обратно через левую, совершить разворот и снова пройти через левую щель. Следует рассмотреть все возможные пути – или истории – электрона, какими бы абсурдными они ни были, говорил Фейнман, и все эти пути вносят свой вклад в картину, которую мы видим на экране. Описание Фейнманом движения электрона немного напоминает движение по одному из альтернативных маршрутов, предлагаемых устройством GPS, если не считать очень необычной – и глубоко квантовой – особенности: в отличие от маршрутов такси, электроны выбирают все маршруты. Именно так и входит в эту схему квантовая неопределенность. Как выразился Фейнман: «Электрон делает, что хочет. Он просто летает во всех направлениях и с любой скоростью, вперед или назад во времени, как ему заблагорассудится, а затем вы складываете амплитуды [этих путей], и это дает вам волновую функцию»[100].

Рис. 22. Ричард Фейнман (справа) беседует с Полем Дираком на конференции по относительности, проходившей в 1962 году в Варшаве (Польша).

Чтобы предсказать вероятность того, что электрон попадет в данную точку экрана, Фейнман связал с каждым путем электрона некоторое комплексное число, которое определяло вклад этого пути в значение вероятности, и то, как этот путь интерферирует с соседними путями. Это число позволяло приписать каждому индивидуальному пути математические свойства волнового фрагмента. Затем Фейнман записал очень красивое уравнение, альтернативное уравнению Шрёдингера, которое позволяет сконструировать волновую функцию частицы путем сложения вкладов всех путей, заканчивающихся во всех точках. Характерная интерференционная картина на экране получается из переплетения выраженных в фейнмановских суммах траекторий, выходящих из обеих щелей. Математически это получается потому, что комплексные числа, ассоциированные Фейнманом с каждым путем, дают либо усиление, либо ослабление путей друг другом – как это происходит и с волновыми фрагментами.

Фейнмановское описание ситуации с двумя щелями дает нам пример отсутствия какой-либо надежды определить по одним только наблюдениям экрана, через которую из щелей электрон в действительности пролетел. И это не удивительно. Так как в квантовой механике мы имеем не одну, но много историй, разыгрывающихся одновременно, она очевидным образом ограничивает наши суждения о прошлом. Квантовое прошлое внутренне «размыто» – это вовсе не та четкая и определенная история, какие мы обычно ассоциируем с прошлым[101].

Фейнмановская схема «суммирования историй» дает нам в высшей степени эффективный и точный подход к квантовой теории вообще. В соответствии со своей основной идеей этот подход стал называться квантовым формализмом «интегрирования по путям» или «суммирования по историям». По Фейнману мир получается немного похожим на средневековый фламандский гобелен – на ткань, состоящую из переплетения пересекающихся путей, из сочетания мириадов возможностей, которые в своем единстве образуют согласованную картину реальности.

Стивен был полон восхищения как самим Фейнманом, так и его подходом к квантовой физике – «суммированием по историям». В 1970-х годах, во время регулярных визитов Стивена в Калтех, они много общались. «Большой чудак, – сказал мне как-то Стивен о Фейнмане, – но блестящий физик».

Система представлений Фейнмана оказалась критически важным шагом вперед: она позволила физикам начать думать о квантовой механике вне ее исходной сферы – субатомного мира. Его подход продемонстрировал, что, несмотря на их видимую несопоставимость, между классической и квантовой механикой не существует фундаментального противоречия. Дело в том, что схема «суммирования по историям» применима как к малым, так и к большим объектам, но для больших объектов единственные траектории, имеющие значимые вероятности, всегда оказываются теми, что лежат на единственном пути, предсказываемом классическими законами движения Ньютона. А значит, в конечном счете не существует фундаментальной дихотомии между микро- и макромиром. Просто-напросто для макроскопических объектов микроскопические вибрации усредняются в нечто определенное и детерминистское, и это «нечто» и есть траектория движения в классическом понимании. Классический детерминизм, таким образом, вырастает из коллективного развития случайных микроскопических квантовых историй. И наоборот, стоит начать погружаться в микроскопический мир, и случайные пересечения отдельных траекторий станут приобретать все большее значение.

Все эти прозрения, вкупе с ошеломляющими успехами квантовой теории, означали одно – классическое мировоззрение уходит со сцены. Многие физики начали верить в то, что квантовая теория, начинавшаяся как теория субатомных частиц, приложима ко всем объектам и масштабам. В 1960-х Уилер и его «банда» пришли к представлению о пространстве-времени как о «квантовой пене», в которой кипят и пузырятся новорожденные вселенные, возникают и снова рассасываются кротовые норы, но которая каким-то образом усредняется на макроскопических масштабах, создавая устойчивую и ощутимую ткань, описываемую классической общей теорией относительности.

Стивен тоже пытался перенести фейнмановское «суммирование по историям» в сферу гравитационных явлений. Со схемой Фейнмана его познакомил Джим Хартл, который в бытность магистрантом в Калтехе овладел этим методом под руководством самого Фейнмана. Магистратура Калтеха была в то время чем-то вроде морской пехоты в армии – элитным академическим подразделением. Джим учился там у Фейнмана, ассистируя ему во время лекционных демонстраций – в том числе знаменитой демонстрации с шаром для боулинга[102] – и помогая редактировать «Фейнмановские лекции по физике», самый прославленный учебник физики всех времен, блестящий образец ясной и стройной подачи материала, хотя и не очень часто используемый студентами.

В 1976 году, когда Джим и Стивен сумели описать испускаемое черной дырой излучение Хокинга в виде частиц, «протекающих наружу» через горизонт событий, они сделали это в духе Фейнмана – суммированием всех возможных путей, которые частицы могут выбирать, ускользая из черной дыры[103]. Вдохновленные этим результатом, Джим и Стивен обратились к более сложной и запутанной проблеме сингулярности Большого взрыва – космического аналога точки A на рис. 21. Для частицы квантовая неопределенность означает, что ее положение и скорость известны несколько неточно. Однако в применении к пространству-времени квантовая неопределенность значит, что сами пространство и время несколько размыты: квантовые «дрожания» размывают точки в пространстве и моменты времени. Почти во всем объеме наблюдаемой Вселенной такая расплывчатость пространства-времени будет крайне ограниченной и ее можно полностью не принимать во внимание; но если вернуться к самым ранним стадиям существования Вселенной, когда плотность вещества и кривизна пространства-времени росли беспредельно, квантовая неопределенность могла иметь колоссальную важность. Рассуждая таким образом, Стивен представил, что в очень ранней Вселенной квантовые эффекты могли размыть само различие между пространством и временем. Это приводило к тому, что пространство и время, так сказать, испытывали кризис идентичности: интервалы времени иногда вели себя как пространственные и наоборот. Более того, Джим и Стивен дерзко предположили, что можно выполнить фейнмановское суммирование всей этой безумной пространственно-временной размытости и что полученную в результате этой процедуры волновую функцию можно выразить в изящном геометрическом виде.

Чтобы получить представление об их волновой функции Вселенной, взгляните на рис. 23. Это тот же схематический набросок расширяющейся Вселенной, который я приводил на рис. 14 в главе 2, но на этот раз я запустил фильм об этой Вселенной в обратном направлении, против хода времени. Рис. 23 (a) напоминает нам, что произойдет, если мы будем слепо доверять классической теории относительности Эйнштейна: пространство по мере движения в прошлое будет сжиматься и в некоторой точке окажется в состоянии сингулярности с бесконечными плотностью и кривизной, а время исчезнет.

Рис. 23. Классическая и квантовая эволюция расширяющейся Вселенной, представленной здесь одномерной окружностью. Слева (a): в классической теории тяготения Эйнштейна Вселенная рождается в точке сингулярности, в вершине конуса, где кривизна бесконечна и законы физики перестают работать. Справа (b): в квантовой теории Хартла и Хокинга сингулярность замещается гладкой и закругленной чашеобразной поверхностью, в любой точке которой законы физики выполняются.

Но Джим и Стивен утверждали, что в действительности этого не происходит. В их схеме, когда мы переводим часы настолько далеко назад, квантовомеханические эффекты кардинально меняют ход эволюции. Учет этих эффектов должен приводить к тому, что размывание пространства и времени вызовет вращение вертикального направления времени и его частичный переход в дополнительное горизонтальное направление пространства. А это открывает совершенно новую возможность сценария происхождения Вселенной: два пространственных измерения могут в комбинации сформировать гладкую двумерную сферическую поверхность, что-то вроде поверхности земного шара. Такая квантовая эволюция показана на рис. 23 (b). Мы видим, что сингулярность на дне классической Вселенной, беспричинное событие, которое как будто выводит вопрос о начале Вселенной за рамки науки, здесь замещается гладкой закругленной поверхностью: то есть в случае квантового происхождения Вселенной законы физики в момент ее рождения повсюду выполняются.

Идея была в высшей степени оригинальной. Ключевой момент предложения Джима и Стивена заключался в том, что у расширяющейся Вселенной в прошлом не было сингулярности – временное измерение на пути назад, к самому началу, растворяется в квантовой расплывчатости. В основании чаши на рис. 23 (b) время стало пространством. Cтало быть, вопрос о том, что могло быть до этого, теряет смысл. «Спрашивать, что было до Большого взрыва, было бы все равно, что спрашивать, что находится к югу от Южного полюса», – суммировал смысл своей теории Хокинг; говоря о своей квантовой космогонии, он называл эту идею «предложением об отсутствии границы»[104].

В рамках гипотезы об отсутствии границы смешиваются два с виду противоречащих друг другу свойства. С одной стороны, прошлое должно быть конечно – время не простирается в обратную сторону без конца. С другой стороны, начала тоже нет – нет первого момента, в который время каким-то образом «включается». Если бы вы были муравьем, ползущим по поверхности, изображенной на рис. 23 (b), в поисках точки происхождения Вселенной – вы не нашли бы ее. Сферическое основание чаши представляет предел времени в прошлом, но оно не отмечает мига творения. В теории отсутствия границы любая попытка наметить точку истинного начала Вселенной обречена на неудачу – эта точка теряется в квантовой неопределенности.

С эстетической точки зрения есть, конечно, что-то привлекательное в том, как гипотеза об отсутствии границы обходит загадку нулевого отсчета времени. Чаша на дне пространства-времени очень смахивает на геометрическую версию «первичного атома» Леметра. Вслед за Гамлетом, который сказал «заключите меня в скорлупу ореха, и я буду чувствовать себя повелителем бесконечности»[105], Хокинг увидел новорожденную Вселенную ядром орешка у себя в руке.

В июле 1983 года Джим и Стивен представили свою рукопись «Волновая функция Вселенной» для публикации в журнале Physical Review. Но судьба работы складывалась трудно. Первый рецензент высказался против публикации на том основании, что авторы вопиюще неверно экстраполировали фейнмановское «суммирование по историям» из квантовой теории на Вселенную в целом. Джим и Стивен попросили повторного заключения. Второй рецензент написал, что согласен с первым: экстраполяция квантовой теории, проделанная авторами, действительно вопиюще неверна. И тем не менее, добавлял он, рукопись следует опубликовать «так как работа весьма оригинальна»[106]. Так и случилось. Спустя пятьдесят лет после того, как в 1931 году Леметр в своем манифесте провозгласил квантовый подход к происхождению времени, этапное открытие Джима и Стивена превратило его прозрение в полноценную научную гипотезу. Введенная ими универсальная волновая функция подняла настоящую волну интереса к квантовым основаниям космологической теории; их работа стала маяком для поисков решения «загадки мирового замысла».

По сути, гипотеза об отсутствии границы выросла из совершенно нового подхода к исследованию квантовой природы гравитации, который Стивен вместе с первым поколением его студентов развивал на протяжении всех 1970-х годов. Этот так называемый кембриджский подход основывался на геометрическом языке, которым Эйнштейн описывал тяготение, но поражал тем, что в нем вместо релятивистского искривленного пространства-времени использовались формы искривленного пространства четырех пространственных измерений, без направления времени.

В классической теории относительности Эйнштейна пространство есть пространство и время есть время. Точнее, пространство и время объединены в четырехмерное пространство-время, что наглядно демонстрируют приведенные мной диаграммы: от пустого пространства-времени Минковского до геометрии черных дыр Пенроуза. Но на всех этих диаграммах пространство от времени легко отличить: стрела времени везде направлена внутрь светового конуса будущего, в то время как для пространственных направлений это не так (см., например, рис. 8). Теперь Стивен представлял себе дело так, что искривленные геометрии с четырьмя пространственными измерениями заключают в себе основные квантовые свойства гравитации. Такие геометрии известны как евклидовы – по имени древнегреческого математика Евклида, который первым систематически изучил геометрию пространственных измерений. Поэтому программа Стивена тоже получила известность как евклидов подход к квантовой гравитации.

В геометрических терминах преобразование времени в пространство достигается поворотом временного направления на 90 градусов. Это ясно видно на квантовой панели, где «начальное» время в нижней части чаши начинает «течь» в горизонтальной плоскости, в том же темпе, что и круговое измерение пространства (рис. 23). Этот «поворот времени в пространство» часто описывается как переход времени в мнимую область, так как математически такой поворот соответствует умножению времени на мнимое число, на квадратный корень из минус единицы. Очевидно, такая операция обесценивает само понятие хода времени. Не имеет никакого смысла ставить будильник на 7 утра, чтобы успеть на утренний поезд. Даже такой медленный процесс, как Брекзит[107], разыгрывался в реальном времени. «Любая субъективная концепция времени, связанная с сознанием или способностью производить измерения, должна прийти к концу», – заявлял Стивен. Но, изгибая эйнштейновские искривленные геометрии сильнее, чем кто-либо это делал до него, и перейдя от реального времени к мнимому, он нашел удивительный новый путь в мир квантовой гравитации.

Возьмите черную дыру. Знаменитый рисунок Пенроуза (рис. 11 в главе 2) изображает геометрию классической черной дыры, существующей в реальном времени. Геометрия квантовой черной дыры во мнимом времени выглядит совершенно иначе. Она больше похожа на «сигару» (рис. 24). Движение «вперед» во мнимом времени в этой геометрии черной дыры соответствует движению по окружности. Кончик сигары представляет горизонт событий черной дыры. Вне его, слева от этой точки на рис. 24, ничего нет, поэтому, в отличие от черной дыры в реальном времени, ее евклидова составляющая не обладает сингулярностью, в которой теория перестает работать. Как предложение об отсутствии границы замещает сингулярность, порождающую классическую Вселенную, закругленным квантовым происхождением, так и евклидово описание черной дыры обладает гладкой и спокойной геометрией, повсюду согласующейся с законами (квантовыми законами!) физики. Работая с евклидовыми формами черных дыр, Стивен и его кембриджская группа смогли понять глубокие причины, по которым черные дыры оказываются не вполне черными – они излучают квантовые частицы, подобно обычным телам, имеющим определенную температуру[108].

Рис. 24. Когда мы рассматриваем черную дыру в мнимом времени, она имеет форму сигары. Ее горизонт событий соответствует кончику сигары (слева). Геометрическая гладкость этого кончика связана с размером кругового измерения мнимого времени (справа), которое, в свою очередь, определяет температуру черной дыры и, следовательно, интенсивность излучения Хокинга, которое покидает черную дыру в реальном времени.

То, каким мощным средством описания квантовых свойств гравитации оказались евклидовы геометрии, произвело на Стивена очень сильное впечатление. Предложенный им метод мнимого времени стал краеугольным камнем его попыток объединить принципы гравитации и квантовой теории, чтобы раскрыть тайны Большого взрыва. «Мы могли бы исходить из того, что квантовая гравитация, да и вся физика в целом, и правда определяются в терминах мнимого времени, – заявлял он. – То, что мы интерпретируем Вселенную во времени реальном – просто следствие нашего восприятия»[109].

В обычной квантовой механике, без учета тяготения, поворот оси времени в пространство – стандартный прием, который физики используют, чтобы выполнить фейнмановское суммирование по историям частиц. Дело в том, что сложение путей в мнимом времени упрощает сложную процедуру суммирования. Эти вычисления кончаются тем, что физики поворачивают одно из пространственных измерений обратно в реальное время, а затем считывают получившиеся вероятности тех или иных действий частиц. Но Джим и Стивен не хотели делать этот обратный поворот в реальное время. Дерзость предложения об отсутствии границы заключалась в том, что, когда речь идет о происхождении Вселенной, преобразование времени в пространство – это не просто хитрый вычислительный трюк, но глубокая фундаментальная идея. Она сводится к тому, что однажды в истории Вселенной было время, когда никакого времени не было.

С другой стороны, в идее отсутствия границы есть нечто эйнштейновское. В 1917 году, когда Эйнштейн заложил основы релятивистской космологии, он никак не мог решить, какие граничные условия ему следует задать на пространственном краю Вселенной. Он пришел к заключению, что было бы намного проще, если бы у пространства не было никакой границы! Таким образом, он пришел к представлению о пространственной структуре нашей Вселенной как о гигантской трехмерной гиперсфере, у которой, так же как и у двумерной поверхности обычной сферы, нет ни края, ни границы. Своей гипотезой об отсутствии границы Стивен и Джим устранили проблему граничных условий на момент «нулевого времени» в том же эйнштейновском стиле – постулировав, что никакой исходной границы там нет вообще.

ОДНАЖДЫ В ИСТОРИИ ВСЕЛЕННОЙ БЫЛО ВРЕМЯ, КОГДА НИКАКОГО ВРЕМЕНИ НЕ БЫЛО.

Заметим, что Стивен развил свой геометрический подход к квантовой гравитации именно в то время, когда ему стали отказывать руки и он не мог больше записывать уравнения. Вполне возможно, что эта потеря и подтолкнула его к тому, чтобы попытаться описать труднообъяснимый мир квантовой гравитации на языке геометрии и топологии: он мог визуализировать этот язык на доске и до некоторой степени манипулировать им в мозгу. Визуализация была поистине центральным пунктом мышления Стивена. Работать со Стивеном значило работать с формами и картинами, которые представляют физическую сущность математических соотношений. На самых ранних этапах нашего сотрудничества я познал вкус его способа выполнять вычисления при невозможности записывать уравнения: это было, когда однажды я пришел навестить его в больнице, где он приходил в себя после спасшей ему жизнь операции. Мы немного поговорили о тяжелом испытании, через которое ему только что довелось пройти, но вскоре Стивен остановил меня и попросил где-нибудь найти ему грифельную доску. Когда я в конце концов раздобыл ее в одном из больничных помещений, он попросил меня нарисовать круг. Этот круг представлял собой край диска, который образуется, если спроецировать расширяющуюся квантовую эволюцию, изображенную на рис. 23 (b), на плоскость. Момент рождения Вселенной лежит в центре диска, а сам круг соответствует сегодняшней Вселенной. Все это, разумеется, происходит во мнимом времени.

Рис. 25. Эволюция расширяющейся Вселенной во мнимом времени.

Благодаря евклидову подходу к квантовой гравитации Стивен достиг такой глубины понимания, к которой было бы почти невозможно прийти любым другим путем. И гипотеза об отсутствии границы – может быть, самый поразительный пример этой глубины. Но поворот времени в пространство, на котором это понимание основывалось, свидетельствовал, насколько трудно представить себе, что именно происходило в начале Вселенной. Закругленная чашеобразная форма «дна» пространства-времени напоминает: нам придется распроститься с заветной идеей о том, что время было всегда и всегда имели смысл слова «до» и «после». Но она обескураживающе мало говорит как о том, что в действительности происходит – если вообще что-то происходит – в отсутствие времени, так и о том, какого рода микроскопический квантовый туман, сгущаясь, порождает чашеобразную геометрию. Эта теория словно бы пытается сообщить нам, что лучше бы вообще не задавать таких трудных вопросов.

Физики жаловались на то, что творческое использование Стивеном евклидовых геометрий выглядит какой-то магией. Зачастую его подход в целом не принимали всерьез, считая его «кембриджской эксцентричностью». Почему время должно вести себя таким странным образом? Отчасти дело было в том, что в рамках евклидовых представлений можно было построить не полноценную квантовую теорию гравитации, а некий полуклассический сплав традиционных и квантовых элементов, не имеющий ясного математического обоснования. «Правила игры» изобретались Стивеном и его студентами на ходу, по мере углубления в задачу. Как выразился гарвардский теоретик Сидней Коулмэн после того, как попытался на основе евклидова подхода доказать, что космологическая постоянная должна быть нулевой, «евклидова формулировка тяготения не имеет прочного основания и ясных правил применения; ситуация больше напоминает блуждания по заболоченному бездорожью. Мне кажется, что я сумел благополучно перебраться через эти топи, но всегда может оказаться, что, сам того не заметив, я уже стою по горло в трясине и она вот-вот поглотит меня целиком»[110]. Стивен, однако, оставался непоколебим. «Я предпочитаю правоту скрупулезной точности», – возражал он критикам. Им владело сильнейшее интуитивное убеждение, что евклидовы геометрии обеспечивают уникальное по силе средство понимания экстремальных проявлений природы Вселенной – черных дыр и Большого взрыва. И сегодня, спустя почти сорок лет после пионерской работы Стивена по квантовой космологии, гипотеза об отсутствии границы продолжает вызывать огромный интерес, глубокое смущение и жаркие споры – при отсутствии какого-либо другого жизнеспособного описания происхождения Вселенной.

Специально рассчитывая, по всей видимости, на широкий отклик, Стивен впервые публично выдвинул предположение о том, что у Вселенной нет ни границ, ни определенного «момента сотворения», на заседании Папской Академии наук в Ватикане в октябре 1981 года. Миссия академии заключается в том, чтобы помочь Ватикану сориентироваться в научных проблемах и укрепить взаимопонимание между наукой и религией. С этой целью академия и пригласила ученых со всего мира на живописную Виллу Пия IV, расположенную в прекрасных садах за собором Св. Петра, на недельные дебаты «Космология и фундаментальная физика»[111]. Но вопрос о Большом взрыве оказался весьма щекотливым. В самом начале недели дискуссий папа Иоанн Павел II заявил собравшимся ученым: «Все научные гипотезы о происхождении мира, такие как гипотеза первичного атома, породившего всю физическую Вселенную, оставляют вопрос о начале Вселенной открытым. Наука сама по себе решить этот вопрос не может. Ответ на него требует знаний, лежащих вне области физики и астрофизики, в сфере, известной как метафизика. И самое главное, он требует знаний, которые исходят из божественного откровения»[112]. Как будто отвечая на это обращение папы, Стивен в своей ошеломляющей лекции «Граничные условия Вселенной» выдвинул смелую идею, что никакого начала у Вселенной могло и не быть. «С граничными условиями Вселенной должно быть связано нечто совершенно исключительное – а что может быть более исключительным, чем условие, что никакой границы не существует?» – провозгласил он, к вящему изумлению слушателей.

Вытекающая из этой идеи волновая функция Вселенной при отсутствии границы была – и, конечно, остается до сих пор – физическим законом принципиально нового вида. Это не закон динамики, не граничное условие, но сочетание того и другого, и как таковое, оно воплощает совершенно новую разновидность физики. Выше я отмечал, что классическая физика и обычная квантовая механика частиц в одинаковой мере остаются в рамках ортодоксальной дуалистической концепции предсказания, которая проводит различие между законами и начальными условиями. Этого никак не скажешь о космологии, построенной на отсутствии границы, – она отказывается от этой дихотомии в пользу более общей картины, в которой исходные условия и динамика выступают на равных. Согласно гипотезе об отсутствии границы, у Вселенной вообще нет точки A, в которой необходимо было бы задать начальные условия.

По сути дела, нечто вроде этого назревало давно. В своей Эдинбургской лекции 1939 года Поль Дирак уже предвосхитил конец дуализма в физике. «Разделение [между законами и условиями] настолько неудовлетворительно в философском смысле – ведь оно противоречит всем идеям единства Природы, – что, мне кажется, вполне уверенно можно предсказать его исчезновение, несмотря на поразительные перемены в наших обыденных представлениях, к которым это исчезновение должно привести». Спустя четыре десятилетия предложение об отсутствии границы сыграло именно эту роль.

Выдвинув свою гипотезу, Джим и Стивен добились того, что считали невозможным великие мыслители – от Канта до Эйнштейна. Перекинув мост через так долго существовавшую пропасть между эволюцией и творением, эта теория уверенно ввела вопрос о происхождении Вселенной в рамки естественных наук. У нее появился шанс окончательно решить загадку сотворения мира – шанс, конечно, необыкновенно соблазнительный. Стивену казалось, что он нашел способ обойти проблему сингулярности и тем самым разгадал великую тайну существования.

В отличие от Леметра, он не стал воздерживаться от обсуждения роли теологии в своей космогонии. «Вселенная должна быть полностью самодостаточна и не подвержена какому-либо влиянию извне самой себя, – писал он в “Краткой истории времени”. – Она не может быть ни создана, ни разрушена. Она просто должна быть… Где же в ней тогда место для Творца?» Теория отсутствия границы, утверждал Стивен, сняла необходимость primum movens – первотолчка, запустившего историю Вселенной, так как она показала, что Вселенная могла быть создана «из ничего». Конечно, «Бог пробелов», к которому взывал Стивен в «Краткой истории времени», – совсем не то, что Deus Absconditus – «скрытый Господь» Леметра, который остается сокрытым даже в начале творения.

Поясним – так говорил ранний Хокинг, приверженец метафизической позиции Эйнштейна. Подобно Эйнштейну, ранний Хокинг полагал, что математические законы физики обладают некоторой формой существования, более важной, чем физическая реальность, которой они управляют. Эйнштейн не мог принять идею Большого взрыва в значительной степени именно потому, что она, казалось, подрывает этот идеал. Но в то время как теорема Стивена о сингулярности, казалось, подтверждала подозрения Эйнштейна, идея не имеющей границы «чаши», заменившей сингулярность в квантовой космологии, позволяла внести ясность в проблему начала Вселенной и в то же самое время сохраняла в неприкосновенности эйнштейновский идеализм. Это было, конечно, великолепным достижением.

Но так же как для Эйнштейна оказалась неожиданностью его собственная теория относительности, гипотеза об отсутствии границы преподнесла Стивену сюрприз. Оказалось, что ранняя версия предложения об отсутствии границы недостаточно радикальна!

Рис. 26. Стивен Хокинг и его ученики отмечают шестидесятилетие Стивена в King’s College в Кембридже.

Глава 4

Пепел и дым

Он верил в бесчисленность временных рядов, в растущую головокружительную сеть расходящихся, сходящихся и параллельных времен… в каком-то из них существуете вы, а я – нет; в другом есть я, но нет вас… в третьем – я произношу эти же слова, но сам я – мираж, призрак.

Хорхе Луис Борхес, «Сад расходящихся тропок»

Кембриджская школа теории относительности Стивена Хокинга была похожа на рок-группу: неформальная, не имеющая связи с ежедневной реальностью и радикальная в своих планах изменить мир.

Ее штаб-квартира, DAMTP, Факультет прикладной математики и теоретической физики, был основан в 1959 году Джорджем Батчелором, специалистом по прикладной математике. Сначала DAMTP размещался в крыле здания прославленной Кэвендишской физической лаборатории, где в 1897 году Дж. Дж. Томсон открыл электрон, а в 1953 году Уотсон и Крик расшифровали спиральную структуру ДНК[113]. Позже, в 1964 году, DAMTP переехал в здание Old Press Site напротив булочной Фицбиллис, между Силвер-стрит и Милл Лейн, – там-то я и познакомился со Стивеном. Здание в викторианском стиле, ничем не примечательное снаружи, внутри отличалось крайне нелогичной планировкой: лабиринт тускло освещенных коридоров вел в лекционные залы, пыльные кабинеты или заводил в тупики. Но нам это место очень нравилось.

Живым бьющимся сердцем DAMTP был его холл. Высокие потолки, поддерживаемые колоннами, взирающие с портретов на стенах суровые лица бывших лукасовских профессоров, виниловые кресла и доска объявлений, увешанная постерами, извещающими о студенческих вечеринках или научных конференциях. В середине 1960-х Денис Сиама учредил здесь почти обязательный для посещения ежедневный чайный ритуал. Ровно в четыре пополудни зажигалось освещение, на столе рядами, как полки оловянных солдатиков, выстраивались чашки, разливался чай. Спустя мгновение в холле уже было не протолкнуться. Теоретическая физика, что ни говори, глубоко общественное занятие.

Стивен появлялся из-за оливково-зеленой двери своего кабинета; в правой руке он держал пульт, левой обхватывал рычаг рулевого управления. Он присоединялся к разговорам, лавируя в толпе на своем кресле и то и дело наезжая кому-нибудь на ногу. Вокруг низких столиков с белыми моющимися столешницами, идеально приспособленными для того, чтобы чертить на них уравнения, подбрасывая соседям по столику новые идеи, шли непрерывные споры. Чай был, правду сказать, неважный, но, собирая всех, он способствовал рождению новейших теорий. Роберт Оппенгеймер, знаменитый «отец атомной бомбы» и бывший директор Института перспективных исследований в Принстоне, как-то сказал: «Чай – это где мы объясняем друг другу, чего мы не понимаем». Много лет чай в DAMTP служил именно этой цели, превращая холл в международный центр обсуждения последних достижений теоретической физики.

Для меня участие в ежедневном чайном ритуале со Стивеном имело огромное значение: за чаем устанавливалась связь, гораздо более глубокая, чем обычные отношения между преподавателем и студентом. Наши споры часто тянулись еще долго после того, как холл снова пустел; они продолжались вечерами в «Мельнице», пабе у реки Кем, в котором сотрудники и студенты DAMTP постоянно сиживали после работы, или за ужином в доме Стивена в Вордсворт Гроув[114]. Работа со Стивеном поглощала все время без остатка. Он не разделял профессиональную и личную жизнь и во многих отношениях воспринимал круг своих близких сотрудников как вторую семью.

Джон Уилер как-то сказал, что есть три способа делать большую науку: путь крота, путь дворняжки и путь картографа. Крот начинает рыть с какой-то точки и планомерно роет, неуклонно продвигаясь вперед. Нюх дворняги ведет ее от одной находки к другой. Наконец, картограф представляет всю картину в целом, интуитивно догадывается, как сложить все воедино, и таким образом находит новую истину. Хокинг, думаю, был картографом.

Если Сиама был силен в объединении людей вокруг принципиально важных открытых проблем теоретической физики, то Стивен извлекал из своей «карты» собственный ясный план действий. Мы же были нужны Хокингу, чтобы заполнять на этой карте белые пятна. С самого начала Стивен рассчитывал, что мы будем работать с ним над превращением широкого интуитивного полотна, существовавшего в его мозгу, в полноценные исследовательские проекты и претворять эти проекты в жизнь. В итоге он подпускал нас к себе гораздо ближе, чем это делает большинство научных руководителей.

Общение со Стивеном посредством его речевого синтезатора было по необходимости ограниченным – и не только в отношении словарного запаса, но особенно, когда речь заходила о манипуляциях с уравнениями. Поэтому он, конечно, не мог обеспечивать полноценного руководства в ходе детальных вычислений. Зато он указывал общие направления работ и корректировал их по мере нашего продвижения. Правда, построенная Стивеном «карта», снабженная лишь его краткими, как будто зашифрованными указаниями, часто оказывалась очень трудной для навигации и могла завести в обескураживающий тупик. Но даже сами эти трудности стимулировали, заставляя нас, его студентов, мыслить творчески и независимо. И он доверял нам. Стивен излучал непобедимую уверенность в том, что мы способны решить эти головоломки космического масштаба. Та же стальная решимость, что позволяла ему добиваться своего, несмотря на изнурительную болезнь, в научной работе проявлялась как определенное упрямство. Много раз, когда я был в полном отчаянии от того, что выбранное направление работы заводило в тупик, когда казалось почти очевидным, что то, чего мы добивались, невозможно, Стивен вдруг оказывался рядом и разворачивал свою ментальную «карту», открывая на ней новую перспективу, вытаскивая нас из пропасти и выводя на новую ясную дорогу. Таков был его modus operandi как ученого – ставить перед собой самые глубокие задачи, непрерывно атакуя их под разными углами и находя в конечном счете путь их решения.

Наиболее ярко он проявлял себя в роли deus ex machina, чудесного спасителя. Его доверие к нам, изобретательный ум, тепло, которое он излучал, не только подпитывали наши исследования постоянным притоком великолепных научных идей, но и наполняли их какой-то интимностью. Да, кембриджская школа Стивена изучала черные дыры и Вселенную в целом, но мне кажется, еще большему мы учились у него в духовном смысле. Он учил нас не только квантовой космологии, но и смелости, смирению и тому, как надо жить.

Конечно, на наше сотрудничество накладывало отпечаток то, что Стивен был мировой знаменитостью, – это отнимало у него много времени. Но он умел оставлять свою славу за стенами DAMTP. Читая утреннюю газету, я мог наткнуться на занимающее всю страницу фото Стивена, проезжающего по одной из улиц Рамаллы или плавающего в кабине самолета в состоянии невесомости, – но как только он возвращался в DAMTP, он становился просто одним из нас, одним из тех, кто находился в упорном поиске понимания Вселенной и ее законов на самом глубоком уровне и всецело этим наслаждался.

Стивен был чудом. В нем невероятным образом сочетались погруженность в смысл величайших научных проблем и какая-то безудержная беспечность, шаловливость, которые могли внезапно проявиться в любое время и в любом месте. Как-то раз он, ничуть не заботясь о последствиях, сбежал из Королевской больницы в Пэпуорте, чтобы посмотреть пантомиму в театре. В каждой научной лекции Стивена непременно встречалась пара-другая шуток[115]. И при всей зашифрованности его высказываний, иногда напоминающих прорицания оракула, он с удовольствием предавался и обычной болтовне, не смущаясь тем, что на каждое слово могли уходить минуты.

Эта присущая Стивену уникальная смесь мудрости и веселья не оставляла ни у кого – где бы он ни появлялся – никаких сомнений в том, что вокруг него творится настоящее волшебство. Конечно, этому способствовало и то, что он никогда не входил куда бы то ни было тихо и незаметно, как большинство из нас.

Когда в июне 1998 года я появился у него в доме, выполнение задуманной Стивеном программы построения квантовой космологии шло полным ходом. Неистовый шум, поднявшийся после публикации «Краткой истории времени», уже успел стихнуть, а вторая революция, произведенная теорией струн, рождала все новые фантастические идеи. Команда Стивена работала не покладая рук. Тем временем прогресс в строительстве новых телескопов преобразовывал космологию: из области чисто теоретических спекуляций она превращалась в количественную науку, твердо опирающуюся на детальные наблюдения, которые охватывали миллиарды лет эволюции космоса. В космологии наступило «золотое десятилетие» открытий – казалось, перед нами лежит раскрытая книга природы, которую осталось только прочесть.

Несколько первых страниц этой книги уже удалось перевернуть. Ключевую роль здесь сыграл запущенный NASA в 1989 году спутник, названный аббревиатурой COBE, что расшифровывалось как «Исследователь космического фона» (Cosmic Background Explorer). Первым же экспериментом, выполненным с борта COBE, было установлено, что реликтовое космическое микроволновое фоновое излучение (CMB) имеет почти идеально тепловой спектр, соответствующий температуре в 2,725 кельвина. Но COBE провел и второй эксперимент: на его борту находился дифференциальный микроволновой радиометр, предназначенный для сканирования неба в поисках малейших различий в температуре CMB-излучения. Это был грандиозный по значению эксперимент. Космологам с самого начала было ясно, что ранняя Вселенная не могла быть полностью однородной – просто потому, что сегодняшняя Вселенная явно неоднородна. Мы видим, что вещество сконцентрировано в галактиках и скоплениях галактик. Если бы в самом начале Вселенная состояла из идеально однородного газа, крупномасштабная паутина галактик никогда бы не сформировалась, а так как галактики – это космические колыбели жизни, то не было бы и нас. И наоборот, даже мельчайшие изменения плотности первичной плазмы с течением времени должны были бы тысячекратно усилиться под воздействием тяготения. В конечном счете вещество в более плотных областях стало бы конденсироваться в облака и структурироваться. Расчеты совместного действия противоположных друг другу эффектов расширения и гравитационной конденсации показывают, что для образования галактик за 10 миллиардов лет горячая ранняя Вселенная должна была иметь неоднородности плотности, по крайней мере, порядка одной стотысячной части. И с момента почти случайного открытия CMB в середине 1960-х годов космологи искали признаки этих мельчайших неоднородностей. Спутник COBE был их последней надеждой. Он был спроектирован именно с расчетом на этот критический уровень чувствительности. COBE должен был прощупать самую основу теории горячего Большого взрыва.

К огромному облегчению космологов, COBE нашел в точности то, что искал. Его данные свидетельствовали: в ранней Вселенной действительно были чуть более горячие и чуть более холодные области. Хотя средняя температура CMB составляла 2,7250 K, в одном участке неба она могла быть равна, скажем, 2.7249 K, а в другом – 2,7251 K. «Мы как будто увидели Бога», – не помня себя от волнения, сказал на пресс-конференции руководитель научного коллектива COBE.

Слабые микроволновые фотоны – самые старые световые частицы, которые мы можем надеяться увидеть[116]. В более ранние эпохи при помощи собирающих фотоны телескопов мы прямо заглянуть не можем, и все же мы должны попытаться понять, что именно было причиной микроскопических флюктуаций первозданного тепла. Горячие и холодные пятна на карте реликтового излучения должны, в конечном счете, быть результатом процессов, происходивших в еще более ранние времена. К сожалению, разрешение приемников COBE было недостаточно высоким: они не могли различать на микроволновом небе структуры протяженностью меньше десяти градусов. Это оставляло нас в неведении относительно происхождения пятен в распределении CMB, но и заставляло космологов осознать, какой ценности информация закодирована в дыме и пепле, оставшихся от первичного огненного шара. Если бы только они могли прочесть написанную мельчайшим шрифтом историю космического микроволнового фонового излучения! Слабый реликтовый фон стал как бы экраном, на который современная космология проецирует свои самые глубокие вопросы.

Итак, на закате XX века астрономические наблюдения «золотого века» наконец позволили нам начать читать «свидетельство о рождении» нашей Вселенной. Стало реальностью видение, о котором Леметр писал за семьдесят лет до этого[117]:

ЕСЛИ БЫ В САМОМ НАЧАЛЕ ВСЕЛЕННАЯ СОСТОЯЛА ИЗ ИДЕАЛЬНО ОДНОРОДНОГО ГАЗА, КРУПНОМАСШТАБНАЯ ПАУТИНА ГАЛАКТИК НИКОГДА БЫ НЕ СФОРМИРОВАЛАСЬ, А ТАК КАК ГАЛАКТИКИ – ЭТО КОСМИЧЕСКИЕ КОЛЫБЕЛИ ЖИЗНИ, ТО НЕ БЫЛО БЫ И НАС.

Эволюцию мира можно сравнить

с только что кончившимся фейерверком;

красные туманные пряди, пепел и дым.

Стоя на остывшей золе,

мы видим, как медленно гаснут солнца,

и пытаемся вспомнить исчезнувший блеск

сотворения мира.

Стивен, который всегда был приверженцем установления связей между космологической теорией и наблюдениями, тоже возлагал большие надежды на то, что, тщательно просеивая этот «космический пепел», космологи смогут реконструировать обстоятельства происхождения Вселенной. К 1990-м Стивен прочно утвердился в своей гипотезе об отсутствии границы. Его убеждала несокрушимая элегантность, с которой эта гипотеза обходила вековые противоречия, связанные с проблемой «начала всего», – для Хокинга красота была залогом истины. Есть свидетельства, что он считал гипотезу об отсутствии границы своим самым крупным открытием[118]. Но, как бы изящна и прекрасна ни была космологическая теория, главным критерием ее правильности всегда остается способность делать предсказания; Хокинг всегда это подчеркивал. Представим на миг, что Вселенная родилась «из ничего», из сферической крупинки чистого пространства. Как тогда выглядела бы наша пятнистая карта распределения температурных вариаций CMB? Ответ на этот интригующий вопрос сделался теперь главным пунктом программы Стивена. Но чтобы найти этот ответ, мы должны сначала вернуться к идее космической инфляции: фазы сверхбыстрого расширения, через которую Вселенная прошла в начале своего существования.

Теорию космической инфляции выдвинули в начале 1980-х физики-теоретики Алан Гут, Андрей Линде, Пол Стейнхардт и Андреас Альбрехт; она считается самым важным усовершенствованием модели горячего Большого взрыва с момента ее появления. В исходной версии теории под инфляцией понималась кратковременная фаза очень ранней истории Вселенной, во время которой гравитация была мощной силой отталкивания и вызвала интенсивное расширение. Основоположники теории инфляции считали, что наблюдаемая Вселенная за мельчайшую долю секунды увеличилась в размерах в ошеломляющем масштабе 10^30, что примерно соответствует переходу от размера атома до протяженности Млечного Пути.

Столь малая продолжительность инфляции хорошо объясняла бы загадку, которую мы уже обсуждали в главе 3: почему Вселенная, которую мы наблюдаем, настолько однородна и изотропна вплоть до самых больших масштабов? Очень короткий всплеск сверхбыстрого расширения и означал бы, что даже самые далекие друг от друга области сегодняшней наблюдаемой Вселенной изначально, до всплеска инфляции, были расположены близко друг к другу, внутри общего горизонта. Если говорить об этом в рамках рис. 19, то даже наикратчайшая вспышка сверхбыстрой инфляции отодвинула бы сингулярность Большого взрыва намного ниже, образовав тем самым единую взаимосвязанную среду, которая заполняет весь наш световой конус прошлого. Таким образом, вся наблюдаемая Вселенная имела бы общее причинное происхождение, возникнув везде почти в одном и том же виде.

И все же на первый взгляд ошеломляющие численные характеристики инфляции выглядели невероятными. Если взглянуть на них в перспективе, то выходило, что степень грандиозного раздувания пространства за краткий миг инфляции намного обогнала общее расширение Вселенной за все последовавшие 13,8 миллиарда лет! Что за странная форма материи могла бы заставить пространство растягиваться в таком фантастическом масштабе? Создатели теории инфляции предложили на эту роль скалярные поля. Эти невидимые экзотические субстанции, заполняющие пространство, похожи на электрические и магнитные поля, и даже проще – в каждой точке пространства они характеризуются только численным значением, но не направлением. Одно из известных скалярных полей – поле Хиггса, вершина Стандартной модели физики частиц, открытое в CERN[119] в 2012 году. Расширения Стандартной модели обычно содержат многочисленные скалярные поля; некоторые из них могут входить в состав темной материи, присутствующей во Вселенной. Скалярное поле, ответственное за инфляцию, так и называется – инфлатонным, хоть такое название, возможно, сбивает с толку. Инфлатонное поле остается гипотетическим, оно пока не обнаружено ни в CERN, ни где-либо еще на Земле, – но именно оно, как утверждает теория инфляции, и могло вызвать кратковременное расширение ранней Вселенной в поистине сумасшедших масштабах.

Что же делает скалярные поля таким мощным источником антигравитационных сил отталкивания? Как и все остальные формы материи, скалярные поля описываются правой частью приведенного выше уравнения Эйнштейна. Однако в отличие от обычного вещества, у скалярных полей есть некоторые важные свойства, объединяющие их с космологической постоянной, эйнштейновским – членом. Дело в том, что, подобно космологической постоянной, однородные скалярные поля наполняют пространство не только положительной энергией, порождающей гравитационное притяжение, но и отрицательным давлением, которое иногда называют напряжением или растяжением и которое обуславливает силу антигравитации. И оказывается, что антигравитация скалярных полей побеждает их гравитацию – вот почему они в отличие от всех остальных форм материи ускоряют расширение. Более того, инфляция сама питается расширяющимся пространством. В то время как привычное нам вещество теряет энергию на расширение пространства, при отрицательном давлении, которым инфлатонное поле пропитывает Вселенную, так же как и в случае космологической постоянной, расширение пространства ведет не к рассеиванию энергии этого поля, а наоборот, к ее приобретению[120].

Когда Эйнштейн в 1917 году ввел в свою теорию космологическую постоянную, он тщательно отрегулировал ее значение с таким расчетом, чтобы идеально сбалансировать описываемое ею отталкивание с гравитационным притяжением вещества: тем самым для Вселенной было обеспечено состояние покоя. Спустя шестьдесят лет создатели теории инфляции пошли гораздо дальше: по их представлениям, инфлатонное поле антигравитации, действовавшей в течение очень короткого времени в самом начале Вселенной, было намного сильнее всех источников притяжения. Это и сделало Большой взрыв настоящим взрывом: мгновенным всплеском космического расширения невероятных масштабов.

Диаграмма на рис. 29 иллюстрирует, как работает теория инфляции. Кривая на ней показывает, как плотность энергии, заключенной в гипотетическом инфлатонном поле, меняется для различных значений поля. Высота кривой в каждой точке соответствует силе инфлатонной антигравитации. Согласно инфляционной космологии, на самых ранних стадиях истории Вселенной существовала малая область пространства, в которой энергия инфлатонного поля каким-то образом взлетела до изображенного на графике плато. Это привело к раздуванию инфляции данного участка пространства, а само инфлатонное поле внутри него при этом плавно скатилось в «долину» на энергетическом ландшафте.

Как только инфлатонное поле достигло состояния с минимальной энергией, у инфляции «кончился завод». Колоссальная вспышка расширения подошла к концу, и Вселенная продолжила расширяться гораздо медленнее. Таким образом, инфлатонное поле отличается от космологической постоянной в одном очень важном смысле. В то время как оба фактора ведут к возникновению сил гравитационного отталкивания, космологическая постоянная, естественно, постоянна. А вот значение инфлатонного поля может меняться со временем, из-за чего возможны «включения» и «выключения» вспышек быстрого расширения. Это ключевое свойство и используется теоретиками инфляции.

В конце первичного инфляционного всплеска, огромной энергии, накопленной в инфлатонном поле, придется куда-то деваться – и она переходит в тепло. Когда инфляция прекращается, падающий инфлатон заполняет Вселенную горячим излучением. Часть этой тепловой энергии постепенно превращается в вещество. Эйнштейновская формула E = mc^2 говорит нам, что пока есть достаточное количество энергии (E) для порождения частиц определенной массы (m), путь для превращения высокоэнергетических частиц излучения (фотонов) в массивные частицы вещества открыт. В конце вспышки инфляции огромная выделенная энергия вполне способна разогреть Вселенную до примерно тысячи триллионов триллионов градусов – этого более чем достаточно для создания 10^50 тонн вещества, содержащегося в наблюдаемой Вселенной.

Рис. 27. Плотность энергии инфлатонного поля (по вертикальной оси) при различных значениях поля (по горизонтальной оси). Когда Вселенная претерпевает инфляцию, поле на этом энергетическом ландшафте скатывается в «долину».

Итак, инфляция во мгновение ока – нет, гораздо, гораздо быстрее! – создает фантастически огромную однородную Вселенную. А как же замеченная спутником COBE рябь в распределении CMB? Действительно ли инфляция создает почти – и все же не совсем – идеально гладкую Вселенную?

Да, в сущности, это так. Как и все физические поля, инфлатон имеет квантовую природу, а значит, к нему применим принцип неопределенности Гейзенберга, согласно которому он должен быть подвержен неустранимой квантовой размытости. Как и в случае частиц, это значит, что чем точнее мы определим величину поля в некоторой точке, тем менее точно может быть известна скорость изменения этой величины в той же точке. Но если не определена скорость изменения поля, мы не можем сказать, какова будет его точная величина спустя мгновение. Выходит, квантовые поля состоят из странной вибрирующей смеси многих различных скоростей изменения и значений поля – что очень напоминает множество путей, в совокупности составляющих волновую функцию частицы.

В нормальных условиях такая квантовая дрожь исключительно слаба и ограничена микроскопическими масштабами. Но условия, которые создаются при всплеске космической инфляции, менее всего похожи на нормальные. К вящему своему изумлению, теоретики инфляции вскоре поняли, что грандиозный всплеск расширения, который они описали, должен привести к усилению и растягиванию микроскопических квантовых флюктуаций до макроскопических волнообразных изменений. Даже если инфлатон зарождается на минимальном уровне квантовых вибраций, разрешенном принципом неопределенности, всплеск инфляционного расширения трансформирует их в макроскопические дрожания, накладывающиеся на общую гладкость расширяющейся Вселенной и создающие в ней волнообразную структуру изменений поля, напоминающую рябь на поверхности тихого озера.

Здесь критическое значение имеет то, что, когда инфляция заканчивается и инфлатон высвобождает свою энергию в виде теплового взрыва, эти волнообразные изменения преобразуются в вариации параметров горячего первичного газа, заполняющего новорожденную Вселенную. И в итоге любая вселенная, возникающая в результате инфляции, будет содержать малые неоднородности как температуры излучения, так и плотности вещества. При наступающем замедлении космологического расширения все больше и больше этих первичных неоднородностей будет появляться в пределах нашего космологического горизонта и становиться видимыми – будто накатывающиеся на берег волны. Вот тут-то и обнаруживаются флюктуации температуры излучения – мы видим их как более теплые и более холодные пятна в распределении космического фона по разным направлениям на небе. Вариации плотности вещества имеют критически важное значение: это зерна, из которых впоследствии вырастут галактики. Области с более низкой исходной плотностью будут расширяться быстрее и образовывать пустоты; области с большим количеством вещества будут продолжать накапливать его за счет своего окружения. Таким образом, контраст распределения плотности во Вселенной будет расти. Эти процессы и породили в конечном счете крупномасштабную паутину распределения галактик, которую мы наблюдаем сегодня.

ВАРИАЦИИ ПЛОТНОСТИ ВЕЩЕСТВА ИМЕЮТ КРИТИЧЕСКИ ВАЖНОЕ ЗНАЧЕНИЕ: ЭТО ЗЕРНА, ИЗ КОТОРЫХ ВПОСЛЕДСТВИИ ВЫРАСТУТ ГАЛАКТИКИ.

Летом 1982 года Стивен и Гэри Гиббонс собрали главных теоретиков инфляции в Кембридже – много лет спустя Хокинг нежно вспоминал это как настоящую конференцию. Симпозиум, тема которого была заявлена как «Очень ранняя Вселенная», спонсировался Фондом Наффилда, благотворительной организацией, учрежденной в 1940-х годах автомобильным магнатом Уильямом Моррисом, лордом Наффилдом[121]. Стивен и его коллеги целыми днями спорили о том, какими ключевыми характерными свойствами обладали первичные вариации, порожденные инфляцией. К концу симпозиума они сошлись на том, что – внимание, внимание! – всплеск инфляции должен был оставить трудно раcпознаваемый, но все же ясно различимый отпечаток в картине распределения неоднородностей CMB-излучения[122]. Другими словами, на Наффилдовской конференции теоретики определили, какой должна быть «неопровержимая улика», доказывающая факт инфляции, улика, которая должна была найтись при тщательном сканировании неба на микроволновых частотах. Это стало одним из самых эффектных предсказаний теоретической космологии, а может, и во всей истории науки. Реликтовая инфляционная рябь, вмороженная в CMB и сохраненная в его структуре с ошеломляющей математической точностью, – без сомнения, одна из старейших окаменелостей, какие только можно было надеяться обнаружить.

Неудивительно, что Наффилдовский симпозиум 1982 года стал легендарным. Он оказался для космологии тем же, чем был для атомной физики Сольвеевский конгресс 1911 года. Его результаты ознаменовали приход эры зрелости в исследованиях очень ранней Вселенной. Предсказания инфляционной теории ясно показали, что квантовая механика имеет огромное значение не только для микромира, но и для наших наблюдений Вселенной на самых больших масштабах. Как Сольвеевский конгресс 1911 года обозначил момент осознания определяющего значения квантовой механики для мира атома, так Наффилдовский симпозиум 1982 года показал фундаментальную роль квантовой механики в космологии. Инфляционная теория утверждала, что холодные и теплые пятна в распределении CMB есть первичная квантовая рябь, увеличенная и записанная на небесной сфере. Более того, теория предсказала, что усовершенствованная версия спутника COBE, способная получить более четкую картину пятен на карте CMB, поможет нам в этом убедиться. Тем самым будет перекинут грандиозный мост от наших сегодняшних космологических наблюдений к микроскопическим квантовым дрожаниям, происходившим не более чем через 10–32 секунды после Большого взрыва.

Стивен не скрывал своего восхищения результатами конференции. Он писал: «У инфляционной гипотезы есть огромное преимущество: она предсказывает современную плотность Вселенной и спектр ее отклонений от пространственной однородности. Возможность проверить эти предсказания должна представиться в довольно близком будущем: тогда мы сможем либо убедиться в несостоятельности гипотезы, либо подтвердим ее»[123].

Порожденные инфляцией кляксы и пятнышки в распределении первичного CMB-излучения оказались космологическим аналогом излучения Хокинга, которое испускают черные дыры. Еще одна удивительная связь между черными дырами и Большим взрывом! Я уже говорил, что излучение Хокинга образуется вследствие квантовых вибраций материальных полей в окрестности черных дыр. Эти дрожания порождают пары частиц, которые появляются из ниоткуда, живут очень недолго и снова исчезают – словно пара дельфинов, на краткий миг выпрыгивающая из океанских волн, чтобы тут же опять скрыться из виду. Физики называют такие частицы виртуальными – в отличие от настоящих, они живут слишком мало, чтобы их можно было зарегистрировать каким-либо детектором. Однако вблизи горизонта черной дыры виртуальные частицы могут стать реальными. Это случается потому, что один из членов виртуальной пары частиц может попасть в черную дыру, и это даст второй частице возможность ускользнуть во Вселенную, где она проявится в виде слабого излучения, исходящего от черной дыры[124]. История раздувающейся Вселенной – вроде истории черной дыры наоборот: быстрое инфляционное расширение усиливает квантовые вибрации, связанные с окружающим нас со всех сторон космологическим горизонтом, что заставляет Вселенную столь же слабо мерцать на микроволновых частотах. По теории инфляции выходит, что мы погружены в космический океан излучения Хокинга.

Несмотря ни на что, Стивен все же дожил до того дня, когда смог увидеть результаты подробных наблюдений космического фонового излучения и испытать огромное удовлетворение от того, что наблюдаемая картина его вариаций совпадает с ритмом инфляции.

Летом 2009 года Европейское космическое агентство запустило спутник «Планк», который на протяжении почти пятнадцати месяцев успешно собирал древние микроволновые фотоны. Спутники выполняют эту задачу гораздо лучше, чем наземные телескопы, – им не мешает наша неспокойная атмосфера, и они могут сканировать все небо. Приемники спутника «Планк» регистрировали точные значения температуры и поляризации CMB-фотонов, приходящих к нам с миллионов различных направлений в пространстве. Затем армия астрономов, работавших в проекте «Планк», составила из этих данных невероятно подробную температурную карту неба в микроволновом диапазоне. Туманные очертания карты CMB, полученной на COBE, превратились в беспримерно четкую картину. Я привел эту карту на рис. 9 (см. вклейку). Представьте себе небо в лучах микроволнового фона в виде гигантской, бесконечно далекой сферы, космического горизонта с Землей в центре. Приведенная мною раньше карта CMB на рис. 2 – проекция этой сферы на плоский лист бумаги, выполненная так же, как мы строим плоскую географическую карту мира.

На первый взгляд пятна и кляксы на карте микроволнового фона кажутся случайными. Но если вглядеться пристальнее, в этих нескольких миллионах пикселей проступает давно разыскивавшаяся картина неоднородностей первичного инфляционного всплеска.

На рис. 28 дана картина инфляционных флюктуаций: ожидаемые значения разностей температуры в зависимости от углового масштаба, на котором они измерялись на небе. Бросается в глаза, что разность температур испытывает колебания в соответствии с определенной закономерностью: при малых угловых расстояниях между точками уровень вариаций падает, как при звоне колокола. Согласие между наблюдательными данными, полученными «Планком»: точками, и теоретическими предсказаниями: кривой, – разительное. Этот волнообразный график сделался иконой современной космологии. Он широко признан первым веским доказательством того, что самые глубокие корни нашего происхождения надо искать в квантовых вибрациях, усиленных и растянутых в ходе краткого всплеска первичной инфляции. Спутник «Планк» оправдал свое славное имя.

Рис. 28. Ожидаемый уровень температурных различий CMB (по вертикальной оси) как функция углового расстояния между двумя точками на небе (по горизонтальной оси). Угловое расстояние растет справа налево. Сплошная кривая отражает предсказания инфляционной теории. Точки – данные спутника «Планк». Они почти идеально согласуются с картиной, которую предсказывает теория.

Но это не все. Осцилляции микроволнового излучения говорят нам еще кое-что о сегодняшнем устройстве Вселенной, и даже о ее будущем. Дело в том, что более тонкие детали картины колебаний реликтового фона зависят не только от его инфляционного происхождения, но и от изменений геометрии Вселенной в ходе ее эволюции. Если, пользуясь теорией Эйнштейна, связать геометрическую форму пространства-времени с его вещественным содержимым, то оказывается, что точные данные «Планка» могут многое сказать физикам о строении Вселенной. Возьмем, к примеру, положение первого пика на рис. 28, который соответствует угловому расстоянию между точками на небе примерно в один градус (для сравнения напомним, что поперечник полной Луны составляет примерно полградуса). Положение этого пика говорит нам, что пространство наблюдаемой части Вселенной вряд ли можно считать искривленным. То есть, если три измерения пространства образуют гиперсферу, то ее размер должен быть невероятно огромным: таким, что она будет выглядеть плоской даже в масштабе нашего космологического горизонта. Совсем как Земля, которая, когда мы глядим вокруг, кажется нам плоской.

Высота второго пика свидетельствует о том, что на долю обычного видимого вещества, состоящего из протонов и нейтронов, приходится всего около 5 % общего содержимого сегодняшней Вселенной. Затем на помощь приходит и третий пик: он говорит нам, что во Вселенной есть еще примерно 25 % темной материи, состоящей из таинственных частиц, почти не взаимодействующих – а может, и вообще не взаимодействующих – с обычным веществом или со светом[125]. Тем не менее темная материя сыграла в истории Вселенной ключевую роль, обеспечив дополнительное гравитационное притяжение, необходимое для того, чтобы крохотные зерна уплотнений в первичном газе разрослись в паутину галактик. Темная материя стала космическим становым хребтом, который направил организацию видимого вещества в крупномасштабные структуры – что в конечном счете и позволило Вселенной быть обитаемой.

Рис. 29. Секторная диаграмма бюджета вещества и энергии в сегодняшней Вселенной. Большая часть его приходится на темную энергию, ответственную за ускорение расширения Вселенной в последние несколько миллиардов лет. Остаток в основном находится в форме неатомной темной материи, состоящей из неизвестных частиц. И лишь малую часть, всего 5 %, занимают знакомые нам вещество и излучение.

Таким образом, от высот и расположения трех пиков на кривой осцилляций, полученной из данных «Планка», мы приходим к поразительному заключению: примерно 70 % содержимого сегодняшней Вселенной вообще не является веществом (см. рис. 29). Напротив, самый большой кусок космического пирога – это невидимая антигравитирующая темная энергия, ответственная за всплеск расширения Вселенной в текущую эпоху. И это вполне согласуется с нашумевшим открытием, сделанным двумя группами астрономов в 1998 году: наблюдая очень далекие взрывающиеся звезды, они нашли доказательства того, что за последние несколько миллиардов лет расширение пространства ускорилось[126].

Выходит, если темная энергия действительно не более чем эйнштейновский λ-член – энергия пустого пространства, – то она должна оказать решающее воздействие на далекое будущее Вселенной. Как только влияние космологической постоянной станет определяющим, обратить этот процесс вспять станет невозможно: в отличие от инфлатона, постоянную величину «выключить» нельзя. Так что если во всем действительно «виновата» космологическая постоянная, ускорение расширения пространства может продолжаться вечно. Образование новых звезд и галактик в конечном счете прекратится, оставшиеся галактики либо сольются друг с другом, либо постепенно исчезнут друг у друга с горизонта, и ночное небо медленно, но неуклонно погаснет[127]. Астрономам этой далекой эпохи наблюдать будет нечего.

На сегодня выполнен обширный объем согласующихся друг с другом астрономических наблюдений, проведено огромное количество проверок и перепроверок: все они подтверждают самосогласованную космологическую модель, которая отражена на рис. 28 и 29. Сейчас физики убеждены, что они правильно и на высоком уровне точности представляют структуру и состав наблюдаемой Вселенной и историю ее расширения. Согласованная картина, сложившаяся на исходе «золотого десятилетия» космологии, поразительно напоминает ту, которую Леметр набросал почти девяносто лет назад: короткий инфляционный всплеск, протяженная пауза, когда расширение почти прекратилось, и, наконец, переход к значительно более умеренной фазе ускорения (см. рис. 3 на вклейке).

И если верить Джиму Пиблсу, работы которого сыграли решающую роль в построении стройной модели нашей космологической истории – в 2019 году это было отмечено Нобелевской премией по физике, – «туч на горизонте пока не видно»[128].

И все-таки одно ключевое предсказание теории инфляции до сих пор остается неподтвержденным. Это первичные гравитационные волны. Дело в том, что всплеск инфляции усиливает и растягивает все квантовые дрожания, в том числе и вибрации самого пространства. В результате этого и возникают гравитационные волны определенного типа: макроскопическая пространственная рябь. Первичные гравитационные волны не надо путать с гравитационными волнами, которые в гораздо более поздние времена порождаются столкновениями черных дыр, нейтронных звезд или галактик.

Первичные гравитационные волны, вызванные инфляцией, должны распространяться синхронно со всей Вселенной с момента ее рождения. К настоящему времени они должны иметь исключительно большую длину, при которой они не могут быть детектированы классическими L-образными гравитационно-волновыми обсерваториями на поверхности Земли. Однако само существование порожденной инфляцией гравитационной ряби, распространяющейся в пространстве, должно повлиять на поляризацию фотонов микроволнового фона: ведь они 13,8 миллиарда лет странствовали в этом чуть искаженном рябью пространстве, пока не попали на антенны наших радиотелескопов. И несмотря на то, что ожидаемая амплитуда первичных гравитационных волн даже по стандартам гравитационно-волновой астрономии относительно низка, теоретики инфляции считают, что их поляризующее действие на CMB-излучение должно быть заметно.

К сожалению, спутник «Планк» не был оборудован высококачественными поляриметрами. В более позднем эксперименте по измерению поляризации CMB, проведенном на полярной станции «Амундсен – Скотт» в Антарктике, на Южном полюсе, поляризацию ожидаемого вида действительно удалось найти – однако тщательный анализ данных показал, что эту поляризацию можно списать на взаимодействие реликтового излучения с галактической пылью. И все же космологи не сдаются. Для поиска «отпечатка» первичных гравитационных волн в космическом микроволновом фоне разрабатываются новые космические миссии. Даже если гравитационные волны, порожденные инфляцией, не будут нести в себе большого количества информации, само их наблюдение, пусть даже и косвенное, стало бы великолепным открытием. Оно не только укрепило бы теорию инфляции, но и стало бы первым ясным свидетельством того, что поле пространства-времени, подобно всем известным материальным полям, действительно имеет квантовые корни.

Стивен тоже возлагал большие надежды на регистрацию гравитационных волн, порожденных инфляцией. Перед самой кончиной он работал над статьей, в которой надеялся уточнить предсказания инфляционной теории для ожидаемого уровня первичных гравитационных волн. На карту было поставлено многое: инфляционное растяжение квантовых дрожаний пространства до макроскопических масштабов есть космологический аналог излучения Хокинга, идущего от черных дыр. Большинство физиков, конечно, согласилось бы, что регистрация следов первичных гравитационных волн стала бы убедительным – хотя и косвенным – аргументом в пользу существования излучения Хокинга.

Теория инфляции предлагает исключительно удачное описание краткого, но критического момента в генезисе Вселенной. Даже при том, что конкретная природа инфлатона остается неизвестной, а первичная гравитационная рябь пока неуловима, детальные наблюдения картины распределения температурных вариаций объясняются настолько убедительно, что большинство космологов принимает теорию инфляции. Идея инфляции ощущается как истинная и выглядит истинной. Но тогда встает важнейший вопрос: как и почему инфляция началась? Пытаясь объяснить очень раннюю Вселенную, мы должны остерегаться попасть в логический капкан, просто заменив одну неразрешимую загадку другой. Ведь какой бы теоретически привлекательной не казалась идея инфляции, если ее грандиозный всплеск окажется принципиально невозможным инициировать, то в нашей игре мы вынуждены возвратиться в начальную клетку – идею инфляции придется считать неприменимой в качестве физической модели ранней Вселенной. Таковы неумолимые законы науки.

Так что же требуется для запуска инфляции? Как могло инфлатонное поле изначально набрать такую огромную энергию? Вот тут-то и появляется предложение об отсутствии границы. Гипотеза об отсутствии границы замечательным образом предсказывает рождение Вселенной в ходе всплеска инфляции. Математически дело сводится к тому, что закругленная форма «дна» пространства-времени в процессе творения при отсутствии границы требует того же вида экзотической скалярной материи, характеризующейся отрицательным давлением, какого требует и инфляция. В контексте классической космологии реального времени вещество с отрицательным давлением может вызвать быстрое взрывное расширение – инфляцию. А в контексте квантовой космологии мнимого времени ровно то же самое отрицательное давление – как раз то, что нужно для гладкого замыкания «дна» пространства-времени во что-то вроде сферы. Таким образом, творение при отсутствии границы и инфляционное расширение – процессы-близнецы, которые идут рука об руку. Они усиливают друг друга, причем первый является квантовым завершением второго (см. рис. 30). С точки зрения физики это значит, что, если бы Вселенная была сотворена из ничего – в соответствии с правилами теории отсутствия границы, – то шанс, что она последует большинству из возможных историй расширения, был бы пренебрежимо мал. Но было бы одно особое семейство траекторий, гораздо более вероятных, чем другие. И это именно такие пути расширения, на которых Вселенная обретает существование в ходе краткого всплеска инфляционного расширения, за которым следует замедление.

В главе1 я уже отмечал, что на любом уровне эволюции детерминизм определяет только самые общие структурные тенденции. Как правило, наперед можно предсказать только наиболее грубые свойства. И в соответствии с гипотезой об отсутствии границы таким структурным свойством космологической эволюции будет некоторая форма инфляции.

Рис. 4. Выдвинутая Джимом и Стивеном гипотеза о происхождении Вселенной при условии отсутствия границы предсказывает, что Вселенная родилась из инфляционного всплеска сверхбыстрого расширения.

Открытие загадочного согласия между гипотезой об отсутствии границы и инфляцией волновало не одно поколение хокинговских студентов. И оно имело далекоидущие последствия. Пионеры теории инфляции представляли ее как промежуточную, преходящую фазу в истории существовавшей прежде Вселенной. Но квантовое оформление этой идеи предполагает, что инфляция и есть ее начало! В контексте предложения об отсутствии границы инфляция становится неотъемлемой частью квантового процесса, посредством которого прежде всего и возникает осязаемая ткань классического пространства-времени. Поэтому предположение об отсутствии границы поднимает инфляцию на более высокий уровень и связывает ее с самим существованием пространства-времени. Происхождение инфляции больше не должно рассматриваться как таинственный счастливый случай или как результат вмешательства «перста Божьего», вознесшего инфлатон на вершину, но космическим императивом, необходимым условием самого существования Вселенной.

Здесь есть, однако, одна трудность. Предложение об отсутствии границы предсказывает минимальный инфляционный всплеск из всех возможных. Мощь исходного всплеска расширения определяется начальным значением инфлатонного поля. Вселенные, в которых инфлатон имеет высокий начальный уровень энергии, находятся на вершине энергетического «холма» (рис. 27) и претерпевают грандиозную вспышку инфляции. Они оказываются больше по размеру и содержат достаточно вещества, чтобы образовать миллиарды галактик. Эти вселенные очень похожи на ту, которую мы наблюдаем. Напротив, при возникновении вселенных, у которых начальный инфлатон находится вблизи нижнего края своего энергетического плато, инфляция напоминает не взрыв, а какой-то шепот. Такие вселенные оказываются почти пустыми, лишенными галактик, и могут даже заново коллапсировать в виде «Большого схлопывания». Они на нашу Вселенную совершенно не похожи. К сожалению, теория об отсутствии границы, понятая буквально, соответствует именно таким вселенным. Получается, что, согласно этой теории, мы оказались в такой Вселенной, где нас быть не должно. Неудивительно поэтому, что большинству физиков оказалось трудно поддержать идею творения при отсутствии границы. И с тех самых пор, как Джим и Стивен выдвинули свою модель космогенеза, эта неприятная тема была настоящей «веревкой в доме повешенного».

Посмотрим на эту «веревку» поближе. Тайна запуска инфляции тесно связана с тайной стрелы времени, другой очевидной особенностью нашего мира. Из повседневного опыта нам предельно ясно, что существует определенное направление хода всех вещей. Яйцо можно разбить, но обратно в скорлупу его не соберешь. Фарш невозможно провернуть назад. Люди стареют, но не молодеют. Звезда коллапсирует в черную дыру, но снова достать ее оттуда уже не получится. И главное, мы помним прошлое, но не будущее. Эта универсальная направленность, эта стрела времени – один из самых мощных и универсальных принципов организации физического мира. Иначе просто никогда не бывает. Но как же время приобрело свою направленность?

В древности люди придерживались телеологического взгляда на природу. Очевидная направленность множества естественных процессов органично сочеталась с идеей Аристотеля о том, что все происходящее в Природе подчинено Конечной Цели. Сегодня мы, напротив, понимаем, что стрела времени происходит из тенденции к увеличению беспорядка. Подумайте о вашем кабинете или вашей спальне, хаос в которых неизменно растет, сколько бы усилий вы ни прилагали, чтобы навести там порядок. А дело просто в том, что способов устроить в кабинете беспорядок намного больше, чем способов там прибраться. Или возьмите мозаику – пазл, состоящий из множества кусочков. Встряхните как следует коробку, в которой лежит груда кусочков пазла, и вы будете безмерно удивлены, когда, высыпавшись оттуда, они сами сложатся в нужную картинку. Потому что есть множество беспорядочно сложенных конфигураций кусочков и только одна правильная. Эти примеры иллюстрируют универсальное свойство физических систем: есть гораздо больше способов прийти к беспорядку, чем к порядку. Вот почему физические системы обладают свойством развиваться в направлении роста беспорядка.

Ученые измеряют количество беспорядка в физической системе ее энтропией. Это понятие восходит к австрийскому физику XIX века Людвигу Больцману. Высокая энтропия означает, что система находится в очень беспорядочном состоянии; система с низкой энтропией хорошо упорядочена. Тенденция сложных физических систем развиваться в направлении состояний с более высокой энтропией (то есть еще одна квазиуниверсальная стрела) известна как второй закон термодинамики. Стрела энтропии – основа и источник стрелы времени.

Но здесь есть одна загадка. Очевидно, что энтропия может расти только, если вначале она низкая. Но почему вчера энтропия была ниже, чем сегодня? Как получилось, что мы разбили имеющее низкую энтропию яйцо, чтобы приготовить омлет? Яйца несут куры – системы с низкой энтропией, живущие на ферме, которая сама есть часть низкоэнтропийной биосферы. Чтобы поддерживать свое существование, биосфера Земли использует низкоэнтропийную энергию Солнца. А откуда взялось имеющее низкую энтропию Солнце? Оно возникло из очень низкоэнтропийного газового облака, которое коллапсировало почти пять миллиардов лет назад и которое само было остатком предыдущих поколений звезд. А что сказать о совсем уж низкоэнтропийном облаке газа, ответственном за образование самого первого поколения звезд? Его происхождение можно проследить вплоть до малых вариаций плотности горячего газа, заполнявшего раннюю Вселенную, причем зерна этих неоднородностей были, возможно, посеяны в ходе краткого всплеска инфляции.

И сама Вселенная в конце инфляции должна была иметь исключительно низкую энтропию.

Выходит, что история о курице и яйце говорит нам о чем-то очень глубоком. Она говорит нам, что исходный источник порядка, фундаментальная причина, по которой мы сегодня разбиваем низкоэнтропийные яйца, имеет отношение к нашему происхождению из Большого взрыва. Почти 14 миллиардов лет назад Вселенная родилась невероятно упорядоченным образом, и с тех пор мы в процессе ее естественной эволюции движемся ко все большему беспорядку. Стрела времени, которая разделяет прошлое и будущее, пожалуй, самый основной элемент нашего опыта, находит свое происхождение в этом крайне упорядоченном, низкоэнтропийном состоянии первичной Вселенной. И это, возможно, самое таинственное из ее благоприятствующих жизни свойств. Как случилось, что Вселенная появилась на свет в состоянии со столь исключительно низкой энтропией? Или всплеск инфляции каким-то образом хитроумно понизил энтропию очень ранней Вселенной, нарушив второе начало термодинамики? Нет, этого не было: в ходе инфляции общая энтропия росла (хоть и медленнее, чем могла бы) и продолжала расти на всем протяжении эволюции космоса.

На эту загадку особое внимание обратил Пенроуз. Он называл инфляцию не иначе как «фантазией». Для запуска инфляции инфлатонное поле должно было находиться в состоянии исключительно низкой энтропии, на самой вершине своей энергетической кривой, что Пенроуз считает его ничем не оправданной и необъяснимой начальной тонкой настройкой. Но сращивание инфляционной теории с квантовой космологией потенциально способно снять возражения Пенроуза. Взятая в качестве теории, объединяющей динамику с начальными условиями, гипотеза об отсутствии границы обладает некоторой «встроенной» временной асимметрией: гладкое инфляционное рождение на одном конце космологической истории и бессрочно длящееся хаотическое состояние беспорядка на другом. Однако в этой стреле времени, заданной предложением об отсутствии границы, не отыскать силы, достаточной, чтобы вдохнуть во Вселенную жизнь. В этой теории инфлатон помещается лишь чуть выше по склону энергетического холма, в состоянии с умеренной энтропией. Схема Джима и Стивена, как видно, предполагает создание Вселенной «не взрывом, но всхлипом»[129]. Итак, гипотеза об отсутствии границы, возможно, элегантна, глубока, прекрасна, но она не работает. Победа остается за вторым началом термодинамики.

Оставался лишь один слабый проблеск надежды. Эта надежда таилась глубоко в квантовых основаниях гипотезы об отсутствии границы. Предложение об отсутствии границы, определяя волновую функцию Вселенной, не устанавливает абсолютный минимум инфляции как единственно возможное исходное условие, но описывает рождение Вселенной туманным, вероятностным образом. Как волновая функция единичного электрона охватывает все разнообразие электронных траекторий, со своей собственной амплитудой для каждой траектории, так и волновая функция отсутствия границы распространяется на целый ряд инфляционных вселенных, у каждой из которых своя стартовая величина инфлатона. Другими словами, квантовая Вселенная – это не единое расширяющееся пространство, но живущие в суперпозиции различные возможные истории расширения – как Док Браун объясняет это Марти на классной доске в фильме «Назад в Будущее».

Чтобы как-то представить себе этот абстрактный квантовый космос, снова рассмотрим расширяющуюся Вселенную, имеющую форму окружности. Рис. 30 изображает рождение такой одномерной Вселенной, происходящее при отсутствии границы. Но это только одна частная история расширения, которая представляет собой лишь обрывок волны, не имеющей границы. Окружность на рис. 30 скользит по одному частному гребню волны в квантовой реальности гораздо большего масштаба. Чтобы изобразить безграничную волну во всей ее полноте, пришлось бы вообразить коллекцию окружностей, каждая из которых расширяется своим собственным характерным образом. Я попытался изобразить эту головокружительную картину квантового космоса на рис. 31. Индивидуальные истории расширения из показанной здесь коллекции в каком-то смысле сосуществуют в рамках одной волны, определяемой условием отсутствия границы, эффектно демонстрируя туманную природу пространства-времени в квантовом мире.

Это сосуществование вселенных одновременно захватывает и приводит в замешательство. В классической теории относительности одно пространство-время не имеет никакого отношения к другому. Например, на канонической диаграмме Леметра (рис. 1 на вкладке) каждая кривая описывает отдельную вселенную, и теория Эйнштейна не дает никаких возможностей приписать одной из них больший вес, чем другой. Иное дело квантовая космология, где волновая функция Стивена действует на просторной арене всех возможных космических историй. Так же как квантовомеханическое описание электрона-частицы объединяет его различные возможные траектории в единой сущности – волновой функции электрона, волновая функция отсутствия границы объединяет «под одним зонтиком» различные возможные расширяющиеся вселенные. Потому-то она и способна дать более глубокое понимание вопроса «какая из этих кривых должна быть нашей?» – главного вопроса «тайны замысла Вселенной».

Интересный момент: такое объединение означает, что волновая функция как целое не меняется во времени. На рис. 31 я, конечно, не смог отразить всеобъемлющего понятия времени, универсальных часов, в шкале которых эволюционировал бы весь ансамбль расширяющихся вселенных. В квантовой космологии время теряет свое значение фундаментального организующего принципа[130]. Разумное понятие времени возникает только как свойство, внутренне присущее каждому индивидуально расширяющемуся пространству. Причина этого в том, что мера времени всегда включает в себя изменение одного физического параметра относительно другого. Для нашей собственной Вселенной, например, в качестве часов можно было бы взять равномерное охлаждение космического фонового излучения с ее расширением (хотя в этой шкале нельзя было бы выбрать практической единицы времени для планирования ваших встреч). Но эволюция температуры CMB в одном пространстве-времени, очевидно, бесполезна для устройства часов в другом.

К сожалению, размах крыльев волновой функции, соответствующей условию отсутствия границы, далеко не так широк, чтобы охватить любую из обитаемых вселенных с сильным всплеском инфляции. «Безграничная» вероятностная волна, описывающая вероятность силы инфляционной вспышки, имеет острый пик для вселенной с самой низкой инфляцией и «хвост», экспоненциально падающий в сторону вселенных с более значительным инфляционным всплеском. Следовательно, хотя предложение об отсутствии границы глубоко созвучно идее инфляции – оно основано на том же виде отрицательного давления, создающего пространство-время, – из него также вытекает, что минимальная инфляция, едва достаточная для существования вселенной, во много раз более вероятна, чем интересные истории расширения с более сильной инфляцией.

Рис. 31. Волновая функция частицы в квантовой механике содержит в себе сплав всех возможных путей этой частицы (см. рис. 21). Подобным же образом волновая функция Вселенной в квантовой космологии описывает ансамбль всех возможных историй расширения Вселенной. Форма волновой функции Хокинга при отсутствии границы формально определяется в первую очередь вселенными, испытывающими слабый всплеск инфляции и быстро коллапсирующими обратно в первоначальное состояние. Вселенные с сильным всплеском инфляции, в которых образуются галактики и появляется жизнь, не исключаются этой теорией полностью, но находятся далеко в хвосте волновой функции, составляя почти незаметную ее часть.

Такое положение вещей загадочно. Должны ли мы рассчитывать, что живем в самой маловероятной из всех вселенных? И, что еще важнее, должны ли мы отбросить теорию универсальной волновой функции на том основании, что Вселенная, которую мы наблюдаем, лежит в очень, очень далекой части «хвоста» волны вероятности? Не забудем о том, что для существования наблюдателей, размышляющих, в какой из вселенных они находятся, необходимо вещество в форме атомов. Если наша космологическая теория говорит нам, что самая вероятная вселенная пуста и безжизненна, то мы не должны удивляться что это не та Вселенная, где мы находимся. Более того, если вселенная должна обладать определенными неотъемлемыми свойствами, необходимыми для наличия в ней жизни, такими как существование в ней галактик, нам не следует с порога отвергать универсальную волновую функцию, которая предсказывает, что в самой вероятной вселенной галактик нет. Имеет значение не то, что в этой теории наиболее вероятно, но то, что с наибольшей вероятностью будет наблюдаться. Космологические истории, в которых нет наблюдателей, не идут в счет, когда мы сравниваем наши теории с нашими наблюдениями.

Рассуждая в этом направлении, Стивен и Нил Турок в 1997 году попытались спасти теорию отсутствия границы, дополнив ее антропным условием: во Вселенной должны существовать «мы»[131]. Однако они увидели, что это не вносит почти никакого отличия: оказалось, что теория, дополненная антропным принципом, предсказывает вселенную всего с одной галактикой – нашей, – и ничего, что хоть как-то напоминало бы нашу кишащую галактиками Вселенную. Для Турока этот результат тогда оказался настолько обескураживающим, что он радикально перестроился и принялся придумывать все новые способы вообще избежать начала Вселенной. Стивен, однако, продолжал отстаивать предложение об отсутствии границы; теперь, оглядываясь назад, можно сказать, что он находился еще в самом начале пути.

ЕСЛИ ВСЕЛЕННАЯ ДОЛЖНА ОБЛАДАТЬ ОПРЕДЕЛЕННЫМИ НЕОТЪЕМЛЕМЫМИ СВОЙСТВАМИ, НЕОБХОДИМЫМИ ДЛЯ НАЛИЧИЯ В НЕЙ ЖИЗНИ, ТАКИМИ КАК СУЩЕСТВОВАНИЕ В НЕЙ ГАЛАКТИК, НАМ НЕ СЛЕДУЕТ С ПОРОГА ОТВЕРГАТЬ УНИВЕРСАЛЬНУЮ ВОЛНОВУЮ ФУНКЦИЮ, КОТОРАЯ ПРЕДСКАЗЫВАЕТ, ЧТО В САМОЙ ВЕРОЯТНОЙ ВСЕЛЕННОЙ ГАЛАКТИК НЕТ.

Тем временем появилось конкурирующее представление о происхождении инфляции: работа Андрея Линде и Александра Виленкина, американского космолога украинского происхождения, немногословного, но глубокого мыслителя, работавшего в университете Тафтса. Их предложение было столь радикальным, а его последствия настолько ошеломляющими, что оно и сейчас приковывает к себе внимание космологического сообщества. Это была идея мультивселенной.

Линде и Виленкин перевернули проблему «зажигания» инфляции вверх дном. Они утверждали, что состояние инфляции всегда по умолчанию внутренне присуще Вселенной и что, по сути, остановить ее очень трудно. Инфляционное расширение, говорили они, вечно по своей природе[132]. В их рассуждениях важное место занимали те же квантовые вибрации, из которых в ходе инфляции развиваются галактики, но эти вибрации рассматривались на значительно больших масштабах, далеко выходящих за пределы нашего космологического горизонта. Образование в ходе инфляции такой сверхдлинноволновой ряби означает, что напряженность инфлатонного поля должна случайно флюктуировать на этих огромных расстояниях. В каких-то областях эти флюктуации помогут инфлатону сойти на нет и привести инфляцию к завершению, дав начало горячему Большому взрыву, за которым последует медленное расширение. Однако в удаленных областях, где инфлатон вследствие вибраций внезапно усиливается, усилится и инфляция. Линде и Виленкин утверждали, что, хоть такие области, возможно, встречаются редко, более высокий темп инфляции в них означает, что они будут занимать большие объемы – настолько большие, что там всегда будут существовать области, где скачки усиления будут побеждать и где инфлатон будет продолжать парить на высоком энергетическом уровне. Получается, что с глобальной точки зрения инфляция очень похожа на разгул пандемии – это самоподдерживающийся процесс, в котором области инфляции порождают новые инфляционные очаги, а те, в свою очередь, генерируют локальные Большие взрывы или даже новую инфляцию – и так далее, до бесконечности.

Очевидно, что идея «вечной инфляции» приводит к радикально новому взгляду на наше прошлое. Происхождение инфляции тогда заключается в том, что никакого происхождения нет вообще. Инфляция оказывается не кратким всплеском первичного расширения, связанного с тем, как обрело существование само пространство-время, но непрекращающимся и неистощимым механизмом генерации вселенных. «Вселенная в целом есть самовоспроизводящаяся система, – писал Линде – которая не имеет конца, а возможно, и начала»[133]. Вся наблюдаемая Вселенная в этом случае лишь остров в пространстве гораздо большего масштаба. Космос в глобальном масштабе представляет собой сложную сверхструктуру – мультивселенную. В пределах отдельной островной области квантовые вибрации, растянутые до космических масштабов, становятся очагами образования галактик. Но при растяжении до гораздо больших масштабов эти дрожания будут генерировать миры совершенно иного вида. Если бы мы смогли каким-то образом взглянуть на космос снаружи, мы бы увидели сложную космическую мозаику медленно расширяющихся островных вселенных; в этой мозаике лоскуты пространства, в которых окончание инфляции запустило цикл эволюции, погружены в гигантское, возможно, бесконечное, подверженное инфляции пространство. В некоторых островных вселенных будет существовать паутина галактик, простирающаяся до горизонтов, доступных наблюдениям с телескопом «Джеймс Уэбб». В других, где инфляции довелось резко прекратиться, для образования галактических структур вряд ли наберется достаточно вещества. Перемещение из одной островной вселенной в другую полностью исключено даже в принципе, потому что быстрое расширение океана инфляции сделает пересечение расширяющегося пролива, разделяющего разные «острова», физически невозможным даже для света. Получается, что в любом практическом смысле каждая островная вселенная будет вести себя как отдельная самостоятельная Вселенная.

Эта картина физической реальности поистине озадачивает. Она напоминает одну из бесконечных вселенных Томаса Райта. Этот живший в XVIII веке часовой мастер, архитектор и астроном-самоучка из Дарэма на севере Англии, обгоняя свое время, представлял себе Млечный Путь одной из бесконечного числа галактик, каждая из которых содержит огромное скопище звезд. Его схематические наброски безграничного пространства, насыщенного сферическими галактиками, как газированная вода пузырьками, выглядят очень похожими на некоторые из современных визуализаций инфляционной мультивселенной (см. рис. 7 на вклейке). Бесконечная вселенная Райта восхитила Иммануила Канта, который и назвал галактики «островными вселенными». Умозрительные догадки Райта и Канта были важным шагом на пути к пониманию строения «большой Вселенной», но эта картина мира была принята только в 1925 году, когда Хаббл установил, что спиральные туманности на небе действительно представляют собой далекие галактики. Наша Вселенная сразу стала в миллионы раз больше. Но произведенное Хабблом расширение границ нашего мира бледнеет в сравнении с тем, которое произойдет, если подтвердится предложенная современными теоретиками инфляции картина бесконечной мультивселенной.

В то же время сложная фрактальная космография мультивселенной нас пугает. В вечно расширяющейся инфляционной мультивселенной вы в конце концов всегда найдете островную вселенную с галактикой – точной копией Млечного Пути, с Солнечной системой, копирующей нашу, с таким же домом на такой же точно улице, в котором сидит ваш двойник и читает эту книгу. Более того, такая копия будет не одна – их будет бесконечно много. Как-то раз я попробовал испытать эту идею на моей младшей дочери Саломе – она была решительно против.

Во время чудесного обеда в Кембридже, устроенного в честь 60-летия Стивена – а у Стивена был настоящий дар принимать гостей, – Андрей Линде вспомнил их первую встречу, причем сделал это так, как это мог сделать только русский физик. Это было в Москве в 1981 году. Стивен должен был прочесть лекцию об инфляции для ведущих российских физиков в Астрономическом институте им. П. К. Штернберга. В то время Стивен еще мог говорить, но, так как его голос разобрать было трудно, он часто пользовался при чтении лекций помощью одного из своих студентов, который громко повторял его слова. На лекции в ГАИШ этот процесс сделался двухступенчатым: Линде, тогда молодого физика, хорошо знавшего английский, попросили переводить на русский то, что студент Стивена повторял за Стивеном по-английски. Занимавшийся исследованиями инфляции Линде хорошо ориентировался в предмете и, как русский, не мог удержаться от подробного комментирования слов Стивена. Какое-то время все шло хорошо: Стивен что-то говорил, студент повторял его слова, а Линде переводил и давал пояснения от себя. Но тут Стивен начал критиковать модель инфляции Линде. И на протяжении всей оставшейся части доклада Стивена Линде оказался в неудобном положении человека, вынужденного объяснять физической элите России, почему ведущий космолог мира считает, что его, Линде, подход к проблеме инфляции совершенно ошибочен. Это, как вспоминал Линде, и стало началом их дружбы, продолжавшейся до самой кончины Стивена. Но это было и рождением главного противоречия в их позициях, которое с тех пор остается центральным в теоретической космологии. В споре о происхождении инфляции конфликт «Линде против Хокинга» стал в некотором смысле повторением противостояния «Хойл против Леметра», только на этот раз битва разворачивалась на поле полуклассической космологии, сплава классической и квантовой физики, области, в которой работали и Линде, и Хокинг. В 1950-х Хойл попытался сохранить идею стационарной Вселенной при помощи концепции непрерывного творения материи – она заполняла бы пустоты, остающиеся на месте разбегающихся галактик. Леметр, напротив, полностью разделял идею эволюционирующей Вселенной, которая в далеком прошлом была совершенно непохожей на нынешнюю. Переход от Хойла к Линде, от классической космологии к полуклассической, совершается посредством замены галактик на вселенные. Подобным же образом порождаемое вечной инфляцией непрерывное создание островных вселенных в рамках мультивселенной тоже соответствует некоторому виду стационарности, только глобальной, на гораздо больших масштабах. Загадка первопричины инфляции – и, конечно, вопрос о том, имела ли она когда-либо начало, – в подверженной вечной инфляции мультивселенной потеряла бы, по-видимому, всякий смысл[134]. В космологии Хокинга с отсутствующей границей, напротив, нет и следа стационарности. Превращая в момент наступления инфляции время в пространство, Хокинг доводит идею космической эволюции Леметра до ее крайней формы. В то время, как космология мультивселенной предполагает наличие постоянного фона в виде вечно раздувающегося пространства, в котором все происходит, предложение об отсутствии границы придает квантовой механике в очень ранней Вселенной столь фундаментальную важность, что размывает даже этот фон – самую ткань пространства-времени.

Стивен чувствовал, что идея вечно раздувающейся мультивселенной была гипертрофированным расширением физической реальности, расширением, которое ничем не обосновывается и не имеет отношения к чему-либо, что мы можем надеяться хоть когда-либо наблюдать. Андрей ополчался на гипотезу об отсутствии границы как раз на том основании, что она не предполагала вообще никаких наблюдателей. Происхождение при отсутствии границы избирало самое слабое из всех возможных дуновений инфляции, порождающее пустой и безжизненный космос. Вечная инфляция Линде требовала самого сильного всплеска инфляции, какой только можно себе представить, порождая при этом не одну, а бесконечно много вселенных и наблюдателей. Из предложения об отсутствии границы вытекало, что нас вообще не должно существовать – вечная инфляция взвалила на наши плечи кризис идентичности, самоопределения среди бесконечного числа тождественных миров. Космология «золотого десятилетия» пришла к тому, что ее основные теории оказались в тупике, а главные теоретики разошлись по всем основным вопросам.

Но идея мультивселенной прочно овладела воображением как ученых, так и широкой публики. И она приобрела поистине могучее влияние, когда на исходе XX века ею заинтересовались струнные теоретики. Математическое колдовство теории струн внесло разнообразие в пузырчатую мультивселенную Линде, наполнив ее не только пустыми островными вселенными и космическими островами, полными галактик, но и островами, различающимися во всех других мыслимых отношениях. И это приводит нас к следующей стадии нашего путешествия. Предлагает ли нам мультивселенная альтернативную перспективу космической «тонкой настройки»? способна ли она разгадать «загадку замысла»?

Рис. 32. Стивен Хокинг и Андрей Линде (стоит рядом с Хокингом) в Москве в 1987 году. Сидит слева – Андрей Сахаров.

Глава 5

Затерянные в мультивселенной

Человек отыскал Архимедову точку опоры, но использовал ее против себя самого. Похоже, он получил право найти ее только при этом условии.

Франц Кафка, Paralipomena

«Надеюсь, вы тут наделаете черных дыр», – сказал Стивен, широко улыбаясь. Мы вышли из грузового лифта, спустившего нас на пятиэтажную глубину, в подземную пещеру, место проведения эксперимента ATLAS[135]. Лаборатория принадлежала легендарному Европейскому центру ядерных исследований (CERN), расположенному близ Женевы. Генеральный директор CERN Рольф Хойер смущенно потоптался на месте. Шел 2009 год, и в США кто-то как раз инициировал судебное разбирательство, доказывая, что эксперименты на только что построенном в CERN Большом адронном коллайдере (БАК) приведут к образованию черных дыр или каких-нибудь других частиц экзотической материи, которые разрушат Землю.

БАК – это кольцевой ускоритель частиц, построенный главным образом для того, чтобы в результате их столкновений создать бозоны Хиггса – в то время «недостающее звено» Стандартной модели элементарных частиц. Он помещается в кольцевом туннеле общей протяженностью в 27 километров, прорытом под швейцарско-французской границей; в его вакуумных трубах пучки протонов и антипротонов[136], ускоренные до 99,9999991 % скорости света, несутся друг другу навстречу. В трех точках этого кольца пучки ускоренных частиц могут быть направлены прямо в лоб друг другу – и они сталкиваются, воспроизводя условия, сравнимые с теми, что царили во Вселенной через исчезающе малую долю секунды после горячего Большого взрыва, при температуре более миллиона миллиардов градусов. Треки – следы ливней частиц, созданных при этих столкновениях, – регистрируются миллионами сенсоров, собранных в блоки, напоминающие мини-лего; из этих блоков составляются гигантские детекторы, такие, как ATLAS и CMS – Компактный мюонный соленоид.

Поданный в Америке иск будет вскоре оставлен без удовлетворения на том основании, что «умозрительная боязнь будущего вреда не составляет ущерба, фактически достаточного для возбуждения уголовного дела». В ноябре того же года БАК будет успешно запущен – первый запуск годом раньше закончился аварией. Вскоре после этого детекторы ATLAS и CMS действительно обнаружили следы образования бозона Хиггса среди осколков столкновения частиц. Но черных дыр пока на БАКе создать не удалось.

Почему же Стивен – думаю, и Хойер тоже – все же не считал совершенно исключенной возможность того, что БАК может каким-то образом создать черную дыру? Мы обычно представляем черные дыры в виде сколлапсировавших остатков массивных звезд. Этот взгляд, однако, слишком ограничен – любое тело можно превратить в черную дыру, если сжать его как следует. Даже если взять единичную пару протон – антипротон, ускорить каждую из этих частиц почти до скорости света и столкнуть друг с другом в мощном ускорителе частиц, то они образуют черную дыру – если при столкновении удастся сконцентрировать достаточное количество энергии в достаточно малом объеме. Конечно, это будет очень маленькая черная дыра, и просуществует она микроскопически малое время, почти мгновенно испарившись в виде излучения Хокинга.

В то же время, если бы надежды Стивена и Хойера на создание черной дыры вдруг каким-то образом сбылись, это было бы концом продолжавшихся уже много десятилетий попыток физиков изучать природу на все меньших и меньших масштабах путем сталкивания частиц со все большими и большими энергиями. Ускорители частиц – это микроскопы для разглядывания Вселенной. Но гравитация фундаментальным образом ограничивает их разрешение – ведь как только, пытаясь заглянуть во все меньший объем, мы сосредотачиваем в нем слишком много энергии, гравитация запускает образование черной дыры. И если это происходит, то даже добавляя еще больше энергии, мы, вместо того чтобы поднять увеличение нашего коллайдера, получим лишь черную дыру еще большего размера. Складывается забавная ситуация: гравитация и черные дыры полностью переворачивают обычные представления о том, что большие энергии позволяют нам проникать на более короткие расстояния. И оказывается, что конечная цель строительства все больших и больших ускорителей – это не мельчайший фундаментальный строительный кирпичик материи, золотая мечта любого редукциониста, но возникающее в них макроскопически искривленное пространство-время. Закольцовывая короткие расстояния с длинными, гравитация обращает в насмешку глубоко укорененную в нашем сознании идею, что архитектура физической реальности представляет собой стройную систему вложенных друг в друга масштабов, а мы, углубляясь в нее слой за слоем, приближаемся к мельчайшему фундаментальному пределу. Похоже, что гравитация – а значит, и само пространство-время – содержат несовместимый с редукционизмом элемент. К этой трудной для восприятия, но важной идее я вернусь в главе 7. На каком же микроскопическом масштабе физика частиц без гравитации переходит в физику частиц с гравитацией? (Другими словами, во что бы обошлось осуществление мечты Стивена о производстве черных дыр?) Этот вопрос сводится к проблеме унификации всех сил природы – главной теме этой главы. Найти единую схему, которая охватывала бы все основные законы природы, – это уже мечта Эйнштейна. Ответ на него прямо зависит от того, способна ли космология мультивселенной предложить альтернативную точку зрения на благоприятное для жизни устройство нашей Вселенной. Ведь только понимание того, как именно все частицы и силы Природы гармонично сочетаются друг с другом, может пролить новый свет на однозначность фундаментальных физических законов – или отсутствие таковой, – а значит, и понять, до какой степени мы можем ожидать их изменчивости в мультивселенной.

МЫ ОБЫЧНО ПРЕДСТАВЛЯЕМ ЧЕРНЫЕ ДЫРЫ В ВИДЕ СКОЛЛАПСИРОВАВШИХ ОСТАТКОВ МАССИВНЫХ ЗВЕЗД. ЭТОТ ВЗГЛЯД, ОДНАКО, СЛИШКОМ ОГРАНИЧЕН – ЛЮБОЕ ТЕЛО МОЖНО ПРЕВРАТИТЬ В ЧЕРНУЮ ДЫРУ, ЕСЛИ СЖАТЬ ЕГО КАК СЛЕДУЕТ.

Большая часть видимого вещества состоит из атомов, а те, в свою очередь, – из электронов и крошечного ядра – конгломерата протонов и нейтронов. Атомные ядра удерживаются вместе ядерными силами, так называемым сильным взаимодействием, которое действует на кварки – частицы, из которых составлены протоны и нейтроны. Сильное взаимодействие и в самом деле очень сильное, но действует только на очень коротких расстояниях, резко падая до нуля на расстояниях выше примерно одной десятитриллионной доли сантиметра. Вторая ядерная сила – она называется «слабым взаимодействием» – действует и на кварки, и на другой класс частиц вещества, в который входят электроны и нейтрино: эти частицы называют лептонами. Слабое взаимодействие отвечает за превращения некоторых ядерных частиц в другие. Например, изолированный нейтрон неустойчив и за несколько минут распадается на протон и два лептона – а вызывают этот распад именно силы слабого взаимодействия. Третья и последняя сила, воздействующая на частицы, электромагнитная сила, знакома нам лучше всех остальных. В отличие от сильного и слабого взаимодействий электромагнетизм, как и гравитация, действует на очень больших расстояниях. Он проявляется не только на атомных и молекулярных масштабах, привязывая электроны к атомным ядрам и связывая атомы в молекулы, – он действует и на макроскопических расстояниях. Поэтому неудивительно, что, наряду с гравитацией, электромагнетизм управляет большинством ежедневных явлений и имеет множество применений и проявлений – от устройств связи и МРТ-сканеров до радуги и полярного сияния.

Все видимые формы материи и три перечисленных вида сил, управляющие взаимодействиями частиц, связаны прочным теоретическим основанием: Стандартной моделью физики элементарных частиц. Разработанная в 1960-х и в начале 1970-х годов, Стандартная модель есть квантовая теория, описывающая частицы вещества и силы в терминах полей, волнообразно колеблющихся субстанций, рассеянных в пространстве. В терминах Стандартной модели частицы материи, такие, как электроны и кварки, – не что иное, как локальные возбуждения распределенных в пространстве полей. Подобные частицам возмущения силовых полей, действующих между частицами вещества, известны как обменные частицы или бозоны. Например, фотоны, обменные частицы, переносящие электромагнитную силу, – это подобные частицам индивидуальные кванты электромагнитного силового поля.

Теоретическое обоснование Стандартной модели в терминах квантовых полей глубоко определяет способ описания микроскопических процессов в мире частиц в рамках этой модели. Возьмем взаимодействие между двумя электронами. Когда они сближаются друг с другом, они отклоняются и рассеиваются, так как одноименные электрические заряды отталкиваются. Стандартная модель описывает этот процесс вполне осязаемым способом: как обмен фотоном между этими электронами. Когда два электрона оказываются внутри сферы действия друг друга, мы представляем, что один из них испускает фотон, а другой его поглощает. Каждый электрон в результате этого обмена испытывает легкую отдачу, из-за чего их траектории расходятся (см. рис. 33). Но это не все. По правилам фейнмановской формулировки квантовой механики в виде «суммирования по историям», чтобы вычислить значение угла рассеяния электронов, мы должны сложить все возможные способы, которыми эти два электрона могут обменяться одним или несколькими фотонами. Множественность историй обмена означает, что мы не можем, в полном соответствии с принципом неопределенности Гейзенберга, точно определить, где и когда этот обмен произошел.

В то время как фотоны лишены массы, как лишены ее и переносящие гравитацию гравитоны, бозоны, ответственные за слабое и сильное ядерное взаимодействие, очень массивны. Именно поэтому ядерные силы действуют на столь коротких расстояниях, ограниченных микроскопическими масштабами атомного ядра. В целом, чем больше масса обменных частиц, тем меньше диапазон расстояний, на которых действуют переносимые ими силы. Именно безмассовость микроскопических квантов электромагнетизма и гравитации позволяет этим силам действовать в масштабах всей Вселенной.

Рис. 33. Так называемая диаграмма Фейнмана, описывающая квантовое рассеяние двух электронов в терминах обмена фотоном. Фейнмановская формулировка квантовой механики в виде «суммирования по историям» требует, чтобы при вычислении результирующего угла рассеяния электронов были рассмотрены все возможные обмены, в том числе и те, в которых участвует более одного фотона.

Исчерпываются ли этим сведения о Стандартной модели? Не совсем! В ней есть еще одна, последняя частица, знаменитый неуловимый бозон Хиггса, названный в честь британского физика-теоретика Питера Хиггса, который постулировал его существование в 1964 году. Бозон Хиггса – подобный частице квант поля Хиггса, невидимого скалярного поля, которое, совсем как инфлатонное поле в ранней Вселенной, равномерно пронизывает все пространство – этакая современная версия эфира. Поле Хиггса – ключевой элемент Стандартной модели, который дает всем другим элементарным частицам их массы. Электроны, кварки и даже обменные частицы в рамках Стандартной модели не имеют внутренне присущей им массы, но приобретают массу вследствие сопротивления, которое они испытывают, когда движутся сквозь вездесущее поле Хиггса. Частицы как будто постоянно бредут в грязи; вязкость этой грязи и есть то, что мы называем массой. Количество массы, которым в результате обладают различные частицы, зависит от того, насколько сильно они «чувствуют» поле Хиггса. Кварки и обменные частицы ядерных сил взаимодействуют с полем Хиггса очень сильно и имеют большую массу; более легкие электроны взаимодействуют с этим полем гораздо слабее, а фотоны, вообще с ним не взаимодействующие, остаются безмассовыми.

Идея скалярного поля, которое обеспечивает другие частицы массой, была впервые робко высказана Хиггсом. Независимо от него и в гораздо более яркой форме это сделали американец Роберт Браут и бельгиец Франсуа Энглер. Имеющее вид частицы соответствующее возмущение поля получило название бозона Браута – Энглера – Хиггса в Бельгии и просто бозона Хиггса во всех других странах. Частица стала краеугольным камнем Стандартной модели; спустя почти пятьдесят лет, в 2012 году, она была наконец обнаружена на БАК. Это открытие считается настоящим триумфом длительного и глубокого симбиоза чистой науки, основанной на жажде познания, самой передовой техники и международного сотрудничества. Как и открытие темной энергии в космологии, экспериментальное обнаружение бозона Браута – Энглера – Хиггса опять подтверждает, что пустое пространство на деле не пустое, а заполнено невидимыми полями – и одно из них ответственно за массу той материи, из которой состоим и все мы, и почти все, с чем мы сталкиваемся в жизни. Это открытие также показывает, что скалярные поля действительно используются Природой в качестве одного из главных ингредиентов формирования физического мира. Таким образом, открытие хиггсовского бозона – аргумент в пользу существования подобного поля, возможно, ответственного за инфляцию в очень ранней Вселенной.

Чтобы получить бозоны Хиггса, нужно что-то вроде БАК, потому что поле Хиггса сильно взаимодействует не только с другими частицами, но и само с собой, наделяя свою собственную квантовую частицу большой массой m. Из формулы Эйнштейна E=mc^2 тогда следует, что на настолько сильное возбуждение всепроникающего поля Хиггса, чтобы можно было быстро отщипнуть от него единичный похрустывающий квант, требуется много энергии E. БАКу удается создавать бозон Хиггса только примерно в одном столкновении на десять миллиардов частиц. И полученные бозоны Хиггса наслаждаются существованием лишь на краткий миг, почти немедленно распадаясь и рождая каскад более легких частиц. Тем не менее, тщательно просеивая продукты распада бозона, физики смогли установить некоторые его свойства, например, тот факт, что он весит как примерно 130 протонов, вместе взятых. Может показаться, что это много, но большинству работающих в этой области физиков кажется, что бозон оказался невероятно легким. Масса бозона Хиггса не менее чем в сто миллионов миллиардов раз ниже, чем то, что многие физики считают ее естественным значением[137]. Непонятная легкость бозона Хиггса стала еще более загадочной в 2016 году, когда, несмотря на капитальную модернизацию, БАКу так и не удалось вызвать из небытия ни одной из новых элементарных частиц, существованием которых теоретики пытались объяснить слишком малую массу бозона. Однако легкий бозон Хиггса все равно очень важен – ведь если бы он был гораздо тяжелее, чем есть, протоны и нейтроны тоже были бы тяжелее. Они оказались бы слишком тяжелыми, чтобы образовать атомы. Так что невыносимая[138] легкость бозона Хиггса – еще одно свойство нашей Вселенной, которое делает ее такой благосклонной к жизни.

Стандартная модель не предсказывает значений масс индивидуальных видов частиц, в том числе массы бозона Хиггса, так как теория не устанавливает значений силы, с которой каждый вид частиц взаимодействует с полем Хиггса. В общей сложности модель содержит около двадцати параметров ключевых значений таких величин, как массы частиц и силы. Эти величины, часто довольно неожиданные, не предопределяются теорией, но должны измеряться экспериментaльно и вводиться в формулы «вручную». Физики обычно называют эти параметры фундаментальными постоянными Природы, так как они оказываются неизменными во всей наблюдаемой Вселенной. После введения этих постоянных теория дает исключительно хорошее описание всего, что нам известно о поведении частиц видимой материи. В сущности, к настоящему времени Стандартная модель – определенно лучше всего проверенная физическая теория всех времен. Некоторые из ее предсказаний проверены с точностью до четырнадцати десятичных знаков!

И все-таки мы могли бы задуматься о том, не существует ли еще ждущего своего открытия более глубокого принципа, определяющего значения параметров, на которых основывается огромный успех Стандартной модели. На основании наших знаний масса бозона Хиггса может казаться нам неестественно малой – но, возможно, ее значение вытекает из более высоких математических истин? Или, может быть, «константы» на деле не сохраняют одних и тех же постоянных значений во всей Вселенной? Возможно, они очень медленно изменяются в ходе космологической эволюции? Или, может быть, меняются от одной области космоса к другой, порождая островные вселенные, в которых действуют «нестандартные модели» физики частиц?

Ответить на эти трудные вопросы поможет нам понимание способа, которым поле Хиггса сообщает частицам их массу. Механизм генерации массы показывает, что напряженность поля Хиггса – это не установленный Богом факт, но результат динамического процесса, который стал разворачиваться, когда Вселенная начала расширяться и охлаждаться после горячего Большого взрыва. И этот процесс включает в себя случайное нарушение абстрактной математической симметрии.

Общеизвестно, что, когда физические системы охлаждаются, их симметрии нарушаются. Подумайте о переходе воды из жидкой фазы в лед, когда ее температура падает ниже нуля по шкале Цельсия. Жидкая вода имеет одинаковые свойства во всех направлениях: она обладает вращательной симметрией. А в ледяных кристаллах с их регулярной геометрической структурой вращательная симметрия, свойственная жидкой воде, нарушена. Другой классический пример – магниты. Магнитные свойства, скажем, железного бруска резко изменяются в окрестности критической точки Кюри: температуры в 770 градусов Цельсия. При более высокой температуре колеблющиеся магнитные поля отдельных атомов железа перестают быть согласованными и общее среднее магнитное поле бруска обращается в ноль – это отражает вращательную симметрию электромагнитных сил. Однако если мы будем медленно охлаждать железный брусок и его температура опустится ниже точки Кюри, в нем начнут спонтанно образовываться магнитные домены. Это создает качественно иное состояние, в котором вращательная симметрия будет нарушена, а северный магнитный полюс будет иметь случайное направление.

Это общее явление. Симметрия физических систем нарушается при падении температуры, что ведет к образованию большего структурного разнообразия и дает больший простор для увеличения сложности системы. Поле Хиггса не составляет исключения. Поля отвечают на изменения температуры в основном так же, как и обычное вещество. Непосредственно после окончания инфляции, когда Вселенная была в сотни миллионов раз горячее солнечного ядра, поле Хиггса бешено вибрировало, в среднем оставаясь нулевым, – совсем как намагниченность железного бруска с температурой выше точки Кюри. В этом нулевом поле Хиггса, пропитывавшем новорожденную Вселенную, все частицы обладали нулевой массой – ситуация в высшей степени симметричная. Однако, когда Вселенная расширилась и температура упала, поле Хиггса подверглось преобразованию. Сигнал к его запуску был дан спустя примерно 10-11 секунд после горячего Большого взрыва, когда температура упала ниже 10^15 градусов. В этой точке тепловые колебания хиггсовского поля утратили большую часть своей силы и в его поведении начали доминировать взаимодействия с самим собой, определяемые кривой распределения энергии поля – то есть количеством энергии, приходящимся на то или иное значение поля. Но так же, как у инфлатонного поля на рис. 27, кривая распределения энергии поля Хиггса достигает пика, когда поле равно нулю, и падает при ненулевых значениях поля. Вследствие этого в высшей степени симметричное нулевое поле Хиггса внезапно сделалось неустойчивым, как поставленный торчком карандаш. И так же, как карандаш быстро жертвует симметрией ради устойчивости и падает плашмя в случайном направлении – об этом напоминает нам рис. 34, – нулевое поле Хиггса быстро конденсировалось, везде одним скачком переходя в энергетически благоприятное состояние с ненулевым значением. Именно этот ведущий к потере симметрии переход поля Хиггса в ненулевое состояние и одарил частицы массами – важнейший шаг на длинном пути в направлении сложности.

Более того, уменьшение симметрии в конденсирующемся поле Хиггса запустило процесс дифференциации слабого взаимодействия и электромагнитных сил. Дело в том, что, когда поле Хиггса было нулевым, безмассовыми были не только частицы вещества – обменные частицы, переносящие слабые ядерные силы, тоже не имели массы. Шелдон Глэшоу, Стивен Вайнберг и Абдус Салам, отцы-основатели Стандартной модели, установили, что в этом лишенном массы высокотемпературном мире на физические процессы не оказывали никакого влияния отдельные акты обмена фотонами с частицами, переносящими слабые ядерные силы. То есть слабое взаимодействие было дальнодействующим и неотличимым от электромагнитных сил.

Существовала математическая симметрия, связывавшая обе эти силы и смешивавшая их в единое унифицированное электрослабое взаимодействие. Но когда температура первичной Вселенной упала ниже нарушающего симметрию хиггсовского перехода, объединенное электрослабое взаимодействие распалось на действующую на коротких расстояниях слабую ядерную силу и дальнодействующую электромагнитную силу.

Рис. 34. Остро заточенный карандаш, поставленный торчком, благодаря симметрии гравитационного поля Земли будет какую-то долю секунды стоять вертикально. Однако это симметричное состояние неустойчиво – карандаш быстро упадет. Его конечное горизонтальное состояние устойчиво – но оно нарушает симметрию управляющего его движением гравитационного поля. Объединяющие теории физики частиц говорят нам, что подобным же образом в благоприятных для жизни законах физики отразилось состояние с нарушенной симметрией, которое постепенно и случайно оформилось и застыло при расширении и остывании Вселенной после горячего Большого взрыва.

Таким образом, если приложить картину, которую рисует Стандартная модель физики частиц, к «плавильному тиглю» горячего Большого взрыва, получается, что Вселенная не родилась с теми значениями масс частиц и сил, которые мы наблюдаем сейчас. Это свойства состояния с нарушенной симметрией, которое оформилось и «застыло», только когда расширилась и остыла Вселенная. И это глубокое прозрение. Оно говорит нам, что на самых ранних стадиях космического расширения некоторые основные структурные физические законы эволюционировали совместно со Вселенной, которой они управляли. Физики говорят, что известные нам законы физики частиц есть действующие законы – правила, которые соблюдаются только в мире относительно низких энергий и температур, возникшем через некоторое время после начала расширения Вселенной.

Замечательно в этих действующих законах физики частиц то, что мы можем открывать и использовать их, не заботясь или даже вообще ничего не зная о том, что происходит на более коротких расстояниях либо при более высоких энергиях, – до такой степени безукоризненно устроена иерархическая, вложенная структура Природы. Вы можете, например, описать макроскопическое поведение воды гидродинамическим уравнением, которое моделирует ее в виде однородного потока, не принимая при этом во внимание сложную динамику молекул H_2O. Или описать поведение пучка протонов и нейтронов при энергиях ниже гигаэлектронвольта в рамках упрощенной теории частиц, игнорирующей тот факт, что каждая из этих частиц состоит из трех кварков. Большая часть успеха физики прошлого основана на этом ясном разделении масштабов. И это служит нам настоящим сигналом предупреждения о степени затруднений, которые возникают, когда мы пытаемся включить в унифицированные рамки гравитацию и сталкиваемся с ограничениями, обусловленными этой вложенной структурой.

НА САМЫХ РАННИХ СТАДИЯХ КОСМИЧЕСКОГО РАСШИРЕНИЯ НЕКОТОРЫЕ ОСНОВНЫЕ СТРУКТУРНЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ ЗАКОНЫ ЭВОЛЮЦИОНИРОВАЛИ СОВМЕСТНО СО ВСЕЛЕННОЙ, КОТОРОЙ ОНИ УПРАВЛЯЛИ.

Очевидно, что точная форма действующих законов, возникших на самом древнем уровне эволюции, глубоко скрытом в недрах горячего Большого взрыва, имеет самое фундаментальное значение. Представьте, что сгущающееся поле Хиггса приобрело бы немного другое значение напряженности. Тогда и массы частиц были бы другими. Но даже умеренные изменения их значений привели бы к далеко идущим последствиям – например, к невозможности существования устойчивых атомов. Тогда во Вселенной не было бы никакой химии – а значит, опять-таки, не было бы и жизни.

В границах Стандартной модели мы можем быть спокойны: чистый итог нарушающего симметрию преобразования хиггсовского поля универсален. Да, поле может соскользнуть по своей кривой распределения энергии разными способами, как карандаш на рис. 34 может упасть в любую сторону. Однако его общая напряженность, а следовательно и результирующие массы частиц, всегда придут к одним и тем же значениям. Но Стандартная модель – только часть физики частиц. Начнем с того, что она объединяет сильное и электрослабое взаимодействия лишь условно. Далее Стандартная модель не учитывает существования темной материи, составляющей 25 % общей массы и энергии сегодняшней Вселенной. А темная материя вполне может включать гораздо большее число видов частиц и сил. Наконец, Стандартная модель оставляет за бортом темную энергию и гравитацию – деформацию пространства-времени.

Все это означает, что, когда мы прослеживаем историю Вселенной до еще более ранних времен, остается простор для еще более унифицирующих видов простоты и симметрии. И хотя мы здесь оказываемся на более умозрительной территории, вполне вероятно, что механизм нарушения симметрии, вызывавший расщепление электрослабой силы в Стандартной модели, здесь действует в более общем виде. А значит, когда мы движемся в сторону более высоких температур и более ранних времен, знакомые нам действующие физические законы присутствуют все в меньшей и меньшей степени.

Возьмем сам факт существования материальных частиц. В наблюдаемой Вселенной содержится около 10^50 тонн вещества, но почти отсутствует антивещество. Это еще одна благоприятная для жизни особенность – ведь если бы в расширяющейся Вселенной было одинаковое количество вещества и антивещества, все частицы очень быстро должны были бы аннигилировать с античастицами. Произошла бы невероятной силы вспышка высокоэнергетического гамма-излучения, а вещество бы исчезло. Но ведь когда в Большом коллайдере происходят высокоэнергетические столкновения с образованием вещества, образуется такое же количество антивещества. Как же вышло, что при огненном рождении Вселенной образовался избыток вещества в 10^50 тонн? Что-то в условиях сверхгорячего Большого взрыва должно было нарушить симметрию между веществом и антивеществом – и это «что-то» чуть больше благоприятствовало созданию частиц, а не античастиц.

Такие гипотетические механизмы нарушения симметрии и ассоциированные с ними поля, напоминающие поле Хиггса, составляют группу расширений Стандартной модели, известных под именем Теорий великого объединения (ТВО), потому что они связывают электрослабые силы с сильным ядерным взаимодействием в рамках фундаментальной объединяющей схемы. По сути, ТВО определяются в основном своими видами симметрий. Эта стратегия восходит к Эйнштейну, который в 1905 году положил в основание своей частной теории относительности пространства-времени принцип симметрии, связывающей пространство и время. Лоренц ворчал, что Эйнштейн попросту принял как предположение то, что он сам и другие пытались вывести логически. Но история оказалась на стороне Эйнштейна. С эйнштейновских времен абстрактные математические симметрии стали повсеместно приниматься в качестве законного основания физических теорий.

В космологической перспективе ТВО предсказывают, что, если мы вернемся к исключительно высоким температурам, во много миллиардов раз превышающим температуру в ядре Солнца, то окажется, что электрослабое и сильное ядерные взаимодействия будут в сущности одной и той же силой и что вещество и антивещество будут идеально симметричны друг другу. Однако типичные ТВО допускают, что в пределах этой унификации возможна малая степень смешения между составляющими силами. Одним из следствий этого смешения было бы то, что позитрон, античастица электрона, мог превращаться в протон – обычную частицу, не «анти». Несмотря на то что такие превращения случались исключительно редко, в результате мог бы образоваться небольшой избыток вещества над антивеществом, что при одном из переходов в ходе остывания Вселенной нарушило бы первичную симметрию ТВО. В рамках этого сценария в плотном первичном газе после этого все антивещество проаннигилировало бы с веществом, затопив Вселенную высокоэнергетическими фотонами. Но малая часть исходного вещества – не более одной части на миллиард – все же сохранилась бы. Вот этот почти случайный довесок и был теми 10^50 тоннами вещества, из которых сделан весь нынешний мир, включая нас с вами. А фотоны, превратившись в холодный и слабый остаток величайшего события аннигиляции в истории Вселенной, сегодня составляют микроволновое космическое фоновое излучение.

Очевидно, что Теории великого объединения проработаны далеко не так хорошо, как Стандартная модель. Ошеломляющие масштабы энергий, при которых проявляются основные симметрии, оставляют далеко позади даже огромные энергии, достигаемые на БАК. И наши весьма ограниченные космологические наблюдения свидетельств той далекой эры не позволяют определить, которая из многих возможных ТВО действительно описывает сверхгорячий Большой взрыв. Но если широко понимаемые принципы симметрии, на которых основаны эти теории, окажутся верны, то мы можем рассчитывать, что некоторые наиболее фундаментальные свойства физического мира, такие как существование массы и вещества, являются не первичными математическими истинами, но результатом ряда нарушающих симметрию переходов, постепенно трансформировавших первичную симметрию в основание будущей сложности мира.

Можно зайти и еще дальше. В 1974 году физики Юлиус Весс и Бруно Зумино предположили, что может существовать еще более общая симметрия, которая связывает друг с другом не только различные силовые поля, но и силовые поля с полями вещества. Они назвали ее суперсимметрией. Если идея суперсимметрии получит подтверждение, то может оказаться, что даже само различие между силовыми частицами и частицами вещества тоже зародилось в серии переходов, подобных тем, что происходили в поле Хиггса. Эти переходы, возможно, нарушали исходную суперсимметрию, попутно генерируя частицы темной материи, подчиняющиеся дополнительным силам, которые лежали за гранью знакомой нам четверки.

Общая тенденция здесь ясна: наши лучшие объединяющие квантовые теории в физике частиц говорят, что, когда Вселенная остывала после сверхгорячего Большого взрыва, в течение первой микроскопической доли секунды, различные математические симметрии должны были нарушаться. Это вызывало ряд переходов, которые постепенно приводили к появлению структурированной системы действующих при низкой температуре законов. Таким образом, нам открывается поразительный и глубокий уровень эволюции – метаэволюция, в ходе которой изменяются и мутируют физические законы самой эволюции. Схематически этот каскад переходов изображен на рис. 35. Эти переходы – некоторые из них подтверждены, многие другие остаются чисто гипотетическими – должны были трансформировать первичную однородную и симметричную Вселенную в сложную и разнообразную физическую среду, которая в конце концов развилась до уровня, пригодного для возникновения жизни.

Эти замечательные прозрения заставляют вспомнить старую идею Поля Дирака – еще в 1930-х он говорил, что нельзя считать физические законы жесткими и неизменными истинами, «впечатанными» в ткань Вселенной при ее рождении, как водяные знаки. «В связи с появлением новой космологии стоит отметить еще один момент, – писал Дирак. – В начале времен законы Природы, вероятно, очень отличались от тех, каковы они сейчас. Таким образом, мы должны рассматривать законы Природы как постоянно изменяющиеся от одной эпохи к другой»[139]. Восемьдесят лет спустя современная версия идеи Дирака об эволюции физических законов воплощается в действующих в космологической перспективе объединяющих теориях физики частиц. И к этому можно добавить, что в самом центре наших попыток понять, почему наблюдаемые законы именно таковы, каковы они есть, лежит присутствующий в нарушающих симметрию переходах элемент случайности.

Рис. 35. Древо физических законов выросло из ряда нарушающих симметрию переходов в процессе горячего Большого взрыва. Объединяющие теории физики частиц предсказывают, что этот древнейший уровень эволюции мог оказаться очень разным.

И это еще один ключевой момент. Наиболее амбициозные Теории великого объединения, которые прекрасно описывают происходящее при самых высоких энергиях, не могут дать однозначного заключения об исходе первичной эволюции Вселенной. Совсем наоборот! Самые масштабные ТВО предсказывают, что симметрии могут нарушаться множеством различных способов. В результате, к тому времени, когда возраст Вселенной достигнет уже заметной доли секунды, в ней могут установиться различные низкотемпературные законы. А это заставляет предположить, что свойства Стандартной модели и темной материи – а они оказали решающее влияние на эволюцию Вселенной – не были уникальным образом определены математическими закономерностями, лежащими в основе ТВО, но отражают, по крайней мере частично, конкретный исход зачаточной истории нашей Вселенной.

Такое положение дел нам очень хорошо знакомо по биологической эволюции. В главе 1 я вспоминал, что изумительная сложность жизни построена на невообразимо огромном числе «замороженных случайностей», происходивших на протяжении ее истории. От функциональных особенностей индивидуальных организмов через характеристики видов и до таксономии всего древа жизни биологические паттерны, имеющие вид законов, кодируют в себе исходы бесчисленных случайных событий, которые, накапливаясь слой за слоем в течение миллиардов лет в совместно развивающейся среде, постепенно позволили возникнуть всей сложности живого мира. Некоторые законы живого, наподобие космических переходов, которые мы только что обсуждали, можно даже проследить вглубь времен вплоть до нарушающих симметрию случайных событий. Часто приводят пример ориентации спиральной структуры ДНК. Все молекулы ДНК во всех без исключения известных формах жизни на Земле закручены в правостороннюю спираль. Эта универсальная особенность замечательна – ведь законы электромагнетизма, на которых основывается молекулярная химия, не делают никаких различий между левосторонней и правосторонней ДНК, в рамках этих законов они полностью симметричны. Значит, жизнь точно так же процветала бы на основе левосторонней ДНК. И хотя на этот счет существуют различные сумасшедшие гипотезы, вполне вероятно, что примерно 3,7 миллиарда лет назад, когда жизнь каким-то образом зарождалась из безжизненной материи, некое случайное событие на молекулярном уровне заставило ее развиваться с правосторонней ДНК. Как только произошло это нарушающее симметрию событие, данная конкретная молекулярная конфигурация стала частью фундамента планетарной архитектуры – законом жизни на Земле.

Подобным же образом, говорят нам ТВО, некоторые свойства действующих законов физики уходят корнями в случайные перипетии самых ранних стадий эволюции Вселенной, которые впоследствии оказались «вморожены» в фундамент ее архитектуры. Эта случайная составляющая возникает в конечном счете потому, что законы физики частиц имеют квантовомеханический характер, а квантовая механика не детерминистична. Случайные квантовые скачки полей непосредственно после Большого взрыва влияют на то, как именно разворачивается последовательность нарушений симметрии. Как поставленный торчком карандаш падает в случайном направлении, так и конкретный способ, которым разнообразные космические переходы заставляют поля конденсироваться в смесь различных сил, включал в себя неизбежный элемент случайности.

С другой стороны, возможно далеко не все. Поля в ранней Вселенной связаны друг с другом; изменения в одном влияют на другие, и так далее. Это взаимопроникновение, в конечном счете отражающее общее происхождение всех полей, ограничивает набор возможных путей их развития. Таким образом, на самых ранних стадиях эволюции Вселенной должна была проявляться взаимозависимость изменчивости и отбора, дарвинианская игра случайности и необходимости, разыгрывавшаяся на нижнем, фундаментальном уровне законов физики.

Окончательный итог всего этого, конечно, такой: правила космической игры, сами законы, которые управляют сегодня физической Вселенной, могли бы быть совершенно иными. Например, могло бы существовать шесть видов нейтрино вместо трех, или четыре вида фотонов, или сильное взаимодействие между видимой и темной материей. Получилась бы вселенная, непредставимо отличающаяся от нашей. Великое объединение и его еще более великие сверхрасширения приводят к поразительному заключению: относительные величины сил, действующих между частицами, массы и виды частиц и, возможно, даже само существование материи и сил – это не математические истины, высеченные в камне, но ископаемые остатки древней и в основном скрытой от нас эволюционной эпохи на самой заре космогенеза.

И все-таки, могли бы вы сказать, это дарвинистское разветвление физики произошло во мгновение ока (нет, гораздо быстрее!) в крайне примитивной среде, тогда как жизнь на Земле развивалась на протяжении миллиардов лет в сложно устроенной земной биосферe, которая и сама продолжала непрерывно эволюционировать.

Это правда. Форма действующих физических законов в основном кристаллизовалась за одну миллиардную долю секунды в условиях постинфляционного расширения, когда Вселенная уже успела охладиться до вполне сносного миллиарда градусов. Можно было бы подумать, что в такой ситуации и правда остается немного места для разыгрывания любого дарвинистского процесса. Однако, когда речь идет о выковывании действующих законов, обретении ими жесткой формы, в расчет идет не продолжительность этого процесса, но диапазон температур, который преодолевает система. А он в ранней Вселенной очевидно огромен. Это и приводит к многочисленным переходам, а следовательно и обеспечивает простор для накапливания результатов их случайных исходов, которое и формирует законы физики и космологии при более низких температурах.

Так сколько же остается пространства для маневра? Каков баланс между изменчивостью и отбором, когда дело идет о фундаментальных законах физики? Хорошо известно, что в биологии диапазон изменчивости фантастически велик. Возможное количество генов, которое можно представить с математической точки зрения, не говоря уж об их возможных последовательностях в ДНК, намного, намного больше любого другого числа, с которым мы когда-либо сталкиваемся, и лишь мельчайшая часть этих молекулярных комбинаций реализуется в живых организмах Земли. Это гигантское пространство конфигураций означает, что в биологии царит всеподавляющая случайность и что биологическая эволюция – явление в высшей степени разнонаправленное. И конечно, количество информации, заключенное в древе жизни, которое растет из множества «замороженных случайностей» в ходе эволюции, намного перевешивает то, что следует из чисто химических и физических законов. Потому-то Гулд и другие заявляют, что, если бы мы могли перезапустить часы и начать биологическую эволюцию сначала, мы получили бы совершенно другое древо жизни.

Но было ли столь же широким поле возможностей на заре горячего Большого взрыва? Определяется ли структура ветвей древа физических законов, изображенного на рис. 35, в первую очередь глубокими математическими симметриями, таящимися в его корнях, или она в основном сформирована историческими случайностями? Это очевидно критический пункт, принципиально важный для космологов – адептов мультивселенной.

Чтобы прочувствовать весь спектр открывающихся здесь возможностей, нам в нашем странствии придется сделать еще один шаг в сторону объединения и включить в рассмотрение гравитацию.

Как я уже упоминал, расширение Великого объединения с целью включить в него гравитацию ставит проблемы совершенно другого масштаба. Начнем с того, что общая теория относительности Эйнштейна описывает гравитацию в терминах жесткого классического поля – ткани пространства-времени, – в то время как в Стандартной модели и ТВО речь идет о вибрирующих квантовых полях. Следовательно, объединенная теория, видимо, потребует квантового описания гравитации и пространства-времени. Евклидов подход Стивена к квантовой гравитации обеспечивает, по крайней мере приближенно, выполнение именно этого условия, но геометрии мнимого времени, на которых этот подход основан, обладают только некоторыми общими свойствами квантового мира гравитации. Они почти не освещают природу микроскопических квантов, скрывающихся за пространством-временем. И даже более того – оказалось, что применения квантовых полей недостаточно для того, чтобы прийти к полномасштабному квантовому описанию гравитации. Дело в том, что квантовые флюктуации поля пространства-времени неограниченно усиливаются на все более малых масштабах. Микроскопические флюктуации пространства-времени создают самоусиливающийся цикл еще более яростных вибраций, которые разрушают его собственную основную структуру. И в отличие от других полей, которые колеблются на фиксированном фоне пространства и времени, гравитация есть пространство-время. Это и есть главная трудность объединения гравитации с квантовой теорией.

И тут появляется теория струн. В середине 1980-х теоретики нашли восхитительный новый подход к формулировке квантовой теории гравитации: они заменили точечные частицы струнами, которые стали рассматриваться как основные составляющие физической реальности. Центральное положение теории струн заключается в том, что, если бы мы могли препарировать материю на все более малых масштабах, намного меньших, чем самые малые, которых мы можем достичь на крупнейших ускорителях частиц, то мы бы обнаружили глубоко скрытые во всех частицах крохотные вибрирующие нити энергии – их-то физики и назвали струнами.

Струны для теории струн – то же, чем атомы были для древних греков: неделимые и невидимые. Однако, в отличие от греческой концепции атомов, все струны в теории струн одинаковы. Внутри всех видов частиц скрыты струны одного и того же вида. Такая уравниловка, конечно, очень хорошо укладывается в философию объединения. Но тут же встает вопрос, каким образом из струн одного и того же вида могут состоять частицы с совершенно разными свойствами, начиная с массы и спина и кончая зарядом или цветом. Согласно теории струн, ответ заключается в том, что струна может колебаться различными способами. Струнная теория утверждает, что электроны и кварки, и даже силовые частицы, такие как фотоны, возникают из различных колебательных конфигураций струн единого вида. И так же, как различные колебания струны виолончели производят звуки разной высоты, теория струн предполагает, что некая универсальная нитевидная сущность, вибрируя множеством различных способов, производит весь зоопарк различных видов частиц.

Принципиально важным было то, что, согласно идеям основателей теории струн, в одном из своих колебательных режимов струна имеет в точности те свойства, которыми должен обладать квант гравитации – гравитон. Более того, размазывая точки в протяженные изгибающиеся волокна, теория струн избавляется от проблемы неограниченного роста квантовых дрожаний пространства-времени на сверхмалых масштабах. И действительно, как видно из фейнмановской диаграммы на рис. 37, в теории струн таких масштабов просто нет. Диаграмма изображает рассеяние двух гравитационных квантов в рамках теории струн. Мы видим, что невозможно указать точного положения, в котором взаимодействуют два вибрирующих гравитона. Как будто неразложимые на составляющие струноподобные «строительные кирпичики» снабжают микромир минимальным масштабом длины, ниже которого пространство становится внутренне размытым. Этот дополнительный слой неопределенности играет ключевую роль в том, как теория струн не позволяет микроскопическим вибрациям пространства-времени выйти из-под контроля.

Рис. 36. Согласно струнной теории, микроскопические строительные кирпичики вещества – не частицы, а крохотные вибрирующие нити энергии: струны.

Замечательно, что эта сверхрасплывчатость распространяется даже на форму самого пространства-времени. Конечно, релятивистское пространство-время может быть искривлено и изогнуто, но теория струн идет дальше: она говорит, что геометрия пространства-времени не является единственным образом фиксированной – до такой степени, что даже целые измерения пространства могут появляться или исчезать. Что такое геометрия пространства-времени? – спрашиваем мы в рамках теории относительности. Теория струн отвечает, что это зависит от вашей точки зрения. Согласно теории струн, могут существовать различные формы пространства-времени, которые тем не менее описывают физически эквивалентные ситуации. Такие формы называются дуальными, а математические операции, связывающие различные геометрии, известны как дуальные. Самый известный и самый ошеломляющий дуализм – голографический – будет центральной темой главы 7.

К концу 1980-х струнные теоретики были уверены: взаимодействующие одномерные струны дают математически строгое микроскопическое описание гравитации.

Рис. 37. Теория струн описывает гравитоны, индивидуальные кванты гравитации, как крохотные вибрирующие петли. Эта фейнмановская диаграмма изображает взаимодействие двух таких струн-гравитонов. Мы видим, что процесс их рассеяния размазан в пространстве-времени. Эта размытость помогает управлять маломасштабными квантовыми дрожаниями пространства-времени.

Это стало главным предметом гордости теории. До ее появления гравитация и квантовая теория выглядели фундаментально противоречащими друг другу – как будто книга Природы была написана в двух томах, рассказывавших противоречащие друг другу истории. С открытием теории струн физики-теоретики наконец увидели, как эти два основания физики XX века можно гармонично согласовать друг с другом и заставить работать вместе. Больше того, оба эти основания вырастали из объединяющих рамок теории струн. Приложите правила теории струн к большим и массивным объектам – и теория сведется к эйнштейновскому уравнению общей теории относительности. Примените ее к малому числу не слишком энергично вибрирующих струн – и вы получите из тех же правил обычную теорию квантовых полей.

Однако даже сегодня фундаментальная структура теории струн остается до конца неуловимой. Если бы вы стали спрашивать у теоретиков, что такое теория струн, вы, скорее всего, получили бы множество совершенно разных ответов. При отсутствии прямого экспериментального доступа к сверхвысоким энергиям, при которых проявилась бы струноподобная природа материи и гравитации, струнным теоретикам, чтобы продвинуться в теории, в основном приходится восполнять недостаток экспериментальных данных мудрым советом Дирака «искать интересную и красивую математику». Но надо сказать, что, в общем и целом, такое положение вещей струнных теоретиков не очень-то беспокоит. Их сообщество за много лет выработало свою собственную хитроумную систему сдержек и противовесов, которая позволяет им оценивать успех в основном по критериям математической непротиворечивости построений и вытекающей из нее глубины теоретического понимания. И такой подход привел к удивительной научной новизне. К настоящему моменту поле теории струн распространилось далеко за пределы исходных целей: объединения гравитации с квантовой механикой. Появилась целая сеть связей между теорией струн и самыми разнообразными разделами физики и математики – от сверхпроводимости до квантовой теории информации и, о чем я расскажу в главе 7, до квантовой космологии.

Однако в отличие от уравнения Эйнштейна в общей теории относительности или уравнений Шрёдингера и Дирака в квантовой теории единого и общепринятого основного уравнения, воплощающего суть теории струн, пока найти не удалось. И больше того, замечательная объединяющая сила теории струн досталась дорогой ценой, и эта цена оказалась нетривиальной. Чтобы математический аппарат теории струн мог заработать, струны должны двигаться в пространстве девяти измерений (modulo ambiguitatis). Другими словами, чтобы теория струн была математически согласованной, ее правила требуют наличия шести дополнительных пространственных измерений, кроме привычных трех: длины, ширины и высоты[140].

Вы, может быть, спросите – почему появление дополнительных измерений не привело к немедленному отказу от этой теории как реалистичного описания нашего мира? Ведь мы бы наверняка должны были заметить, что у пространства есть еще другие измерения? Однако это не обязательно так – что, если эти шесть добавочных измерений исключительно малы и скручены в тугой узел в каждой точке, а не простираются на космические расстояния, как три нам знакомых? Тогда догадаться об их существовании было бы очень нелегко – все равно что издалека смотреть на соломинку в коктейле. Соломинка выглядит одномерной, но мы знаем, что у нее есть второе скрученное в круглую трубочку измерение, которое мы увидим, только если будем, держа ее в руке, потягивать через нее коктейль. Подобным же образом, если в теории струн размер шестимерного комочка дополнительных измерений намного меньше масштаба длины, который проявляется при высокоэнергетических экспериментах на БАК или на других установках, то неудивительно, что существование этих измерений могло до сих пор скрываться от нашего внимания. Шестимерный пространственный комочек, спрятанный в каждой точке пространства, и выглядел бы просто, как эта точка (см. рис. 38).

Но именно потому, что струны так малы, они действительно способны проникать в скрытый шестимерный мир. И как форма виолончели определяет сочетание колебательных конфигураций, от которых зависит ее уникальный тембр, так в теории струн геометрия шестимерного комочка определяет, какие виды частиц и сил будут вызваны к жизни вибрациями этих струн.

Рис. 38. Согласно теории струн, если бы мы могли в огромное количество раз увеличить ткань пространства, мы обнаружили бы в каждой точке с тремя знакомыми пространственными измерениями крохотные дополнительные измерения. Больше того, форма этого комочка добавочных измерений, таящихся в каждой точке, оказывает воздействие на существующий в трех «больших» измерениях конгломерат сил и частиц.

С точки зрения теории струн наш видимый трехмерный мир – теневое отражение гораздо более сложной и еще более многомерной реальности, которую мы воспринимаем лишь косвенно.

Складывается такая картина: природа материи и форма физических законов, действующих в трех «больших» измерениях, доступных нашему опыту – силовые константы, число и виды частиц как обычной, так и темной материи, их массы, электрические заряды и так далее, и даже количество темной энергии, – все зависит от способа, которым скручены шесть малых измерений, таящихся в каждой точке.

Какой же принцип выбора формы крохотного пространственного комочка соответствует наблюдаемому нами дружественному к жизни макромиру? Это и есть загадка устройства таинственного математического пейзажа, который открывает перед нами теория струн.

Отцы-основатели теории струн возлагали большие надежды на то, что могучий математический принцип, лежащий в сердце теории, поможет выделить ту самую единственную форму дополнительных измерений. Казалось, вооруженные теорией струн, мы уже совсем близко подошли к объяснению количественных закономерностей Стандартной модели и секторной диаграммы строения Вселенной из чисто математических соображений. Платон скоро будет реабилитирован, гласила мантра, и поразительная благосклонность Вселенной к жизни окажется ничем иным, кроме как удачным следствием ее жестких математических оснований.

Эти ранние надежды были вскоре похоронены с открытием того, что, как бывает и с музыкальными инструментами, добавочные измерения в теории струн дают огромное количество разнообразных форм и сочетаний. На протяжении 1990-х годов теоретики с ужасом наблюдали за невероятным числом все новых и новых отыскивавшихся способов упаковать шесть добавочных измерений в крохотный комочек. Эти скрытые геометрии иногда оказывались крайне сложно устроенными, с многомерными лабиринтами геометрических ручек, мостиков и отверстий, вокруг которых оборачивались и в которые проникали потоки линий поля, туго свернутые в пространстве наподобие оригами. На рис. 38 я попытался изобразить такую усложненную форму, хотя проекция на двумерную плоскость страницы дает лишь очень приблизительное представление о многомерной сложности теории струн.

Комбинируя различные составляющие своих теорий, струнные теоретики нашли гораздо больше возможных форм скрытых измерений, чем количество атомов в наблюдаемой Вселенной. И каждая такая конфигурация пространства создает свою собственную струнную симфонию, описывает иную вселенную со своим особым набором действующих законов. Поэтому, исследуя математические ландшафты миров, образованных скрытыми измерениями высших порядков, теоретики одновременно открывали невероятное множество возможных физических законов и в трех «больших» доступных нашему восприятию измерениях. Определенные конкретные сочетания скрытых измерений соответствуют вселенным, законы которых почти идентичны тем, которые мы наблюдаем, – отличие, например, лишь в точных значениях масс нескольких частиц. Такие вселенные могли бы быть столь же – если не более – благоприятными для жизни, как наша. Однако большинство сочетаний добавочных измерений дает вселенные, совершенно не похожие на нашу: в них присутствуют невиданные конгломераты неизвестных в нашем мире частиц и сил. К концу ХХ столетия теория струн сделалась каким-то универсальным магазином физических законов: любой, кто выдумал бы произвольную вселенную, управляемую определенной физикой, мог бы найти в этом магазине подходящую конфигурацию добавочных измерений, которой эта вселенная соответствует. Существуют бесчисленные вселенные, где отталкивающие силы темной энергии препятствуют образованию галактик и жизни, странные вселенные, в которых коллайдер производил бы черные дыры – а Стивен получил бы за это свою нобелевку, – и даже расширяющиеся вселенные с другим числом «больших» измерений пространства.

В космологическом контексте образование сочетаний дополнительных измерений – часть цепочки нарушающих симметрию переходов, в результате которых и расцветает древо действующих законов. Всплеск инфляции, переход, посредством которого три пространственных измерения отделяются от других и расширяются, тоже можно рассматривать как часть процесса образования многомерной реальности на заре рождения Вселенной. По сути, даже само это рождение, в ходе которого пространство, возможно, «расщепилось» на пространство-время, выглядит чем-то вроде нарушающего симметрию перехода, в каком-то смысле окончательного. Более того, квантовые скачки вносят в этот процесс элемент случайности. И хотя бо́льшая их часть проходит бесследно, те, что запускают нарушающие симметрию переходы, усиливаются и остаются «вмороженными» во Вселенную как составляющая новообразованных действующих законов. Это дарвинова взаимосвязь изменчивости и отбора, снова разыгрывающаяся в первичной среде очень ранней Вселенной – на самом древнем, основном уровне эволюции, какой мы можем себе представить.

Невероятный диапазон форм шестимерных узелков означает, что теория струн отвечает на поставленный мною выше вопрос так: изменчивость и случайность выигрывают у необходимости – с большим перевесом. Так значит, «теория всего» настолько могуча, что не определяет ничего?

С одной стороны, тот факт, что вибрирующие квантовые струны генерируют гравитацию, означает, что в арсенале теории струн есть все для осуществления мечты Эйнштейна о полной и единой теории всех сил и частиц. Больше того, в отличие от Стандартной модели, в теории струн нет никаких свободных параметров, которые надо измерить прежде, чем можно будет использовать ее аппарат. С теоретической точки зрения более чистой ситуации в физике не бывает. С другой стороны, эта чистота, по-видимому, позволяет теории содержать в себе мириады действующих физических законов. В своей прекрасной книге «Скрытая реальность» (The Hidden Reality) Брайан Грин во всех подробностях описывает этот головокружительный математический ландшафт и разбирает не менее пяти очень разных способов, которыми хитроумные извивы структур теории струн порождают множество действующих законов.

С практической точки зрения этот «универмаг законов» означает, что теория струн – не закон, но метазакон. Оглядываясь назад, можно сказать, что в этом нет ничего неожиданного: ведь отсутствие параметров и предопределенных структур в объединяющей математике, лежащей в основе теории струн, как раз и значит, что для любого действующего закона, который в этой математике зашифрован, должен существовать некий возникающий элемент, а возникновение в квантовом мире подвержено случайным изменениям.

ОДНАКО БОЛЬШИНСТВО СОЧЕТАНИЙ ДОБАВОЧНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ ДАЕТ ВСЕЛЕННЫЕ, СОВЕРШЕННО НЕ ПОХОЖИЕ НА НАШУ: В НИХ ПРИСУТСТВУЮТ НЕВИДАННЫЕ КОНГЛОМЕРАТЫ НЕИЗВЕСТНЫХ В НАШЕМ МИРЕ ЧАСТИЦ И СИЛ.

Получается любопытная вещь: историю Великого объединения можно прочесть двумя разными способами, каждый из которых показывает нам эту историю с разных сторон.

Читая ее в направлении от низких энергий к высоким, или сверху вниз на рис. 35, мы вспоминаем историю успеха программы объединения в физике частиц. Поднимаясь вверх по энергетической шкале, мы сталкиваемся со все более всеобъемлющими симметриями, в которых зашифрованы все более глубокие математические структуры: они связывают друг с другом все наблюдаемые силы и частицы, и возможно, даже темную материю во все более всеохватывающих унифицирующих рамках. Это ортодоксальное прочтение идеи объединения в рамках физики частиц – и это рассказ о том, как эти идеи тестируются в лаборатории. Физика частиц требует все более мощных ускорителей, чтобы, сталкивая в них частицы все более высоких энергий, исследовать все более глубокие объединяющие симметрии (в то же время предполагая, что порог образования черных дыр лежит еще выше). При таком прочтении делается акцент на взаимосвязанности всех «строительных кирпичиков» Природы и внутренней необходимости, которая воплощается в этом объединении.

При чтении от высоких энергий к низким, или снизу вверх на рис. 35, мы видим последовательность переходов, создающих ветвящуюся структуру дерева физических сил и частиц, очень напоминающую древо жизни (см. рис. 5). Это направление чтения естественно для космологии, где расширение приводит к остыванию, а остывание вызывает разветвление. Под таким углом зрения Великое объединение становится в первую очередь великим источником изменчивости, которая позволяет физическим законам мутировать и приобретать разнообразные формы, как это миллиарды лет спустя будет происходить с биологическими особями.

Эти два прочтения не противоречат друг другу. Они всего лишь представляют две стороны одной медали – изменчивость и отбор.

Важнейшее открытие теории струн – широчайший спектр ветвящихся путей, оказалось переломным для теории мультивселенной. Ее сторонники, такие как Линде и Виленкин, давно уже понимали, что от тех островных вселенных в составе мультивселенной, где инфляция закончилась и перешла в горячий Большой взрыв, можно ожидать самых широких различий в структуре и составе: в некоторых могут быть запасы вещества, достаточные для образования миллиардов галактик, в то время как другие могут оказаться почти пустыми. Однако в рамках теории струн масштабы отличий островных вселенных друг от друга становятся просто непредставимо огромными. Теория говорит, что на вечно расширяющейся арене инфляции может разыгрываться невероятное разнообразие сценариев островных вселенных, каждая из которых должна нести в себе следы своего рождения, со своим собственным уникальным каскадом переходов, происшедших в процессе ее расширения и остывания. Мультивселенная в целом тогда предстает пестрой мозаикой поистине ошеломляющего масштаба, лоскутки которой каким-то образом скрепила невидимая рука метазаконов теории струн.

У изучающих свой мир обитателей какой-то из этих островных вселенных могло бы сложиться впечатление, что их физические законы универсальны. Им, этим существам, могло бы даже подуматься – уж не приспособил ли кто-то тщательно и гостеприимно эти законы к появлению жизни? Но в пестрой мультивселенной теории струн это было бы лишь иллюзией. То, что мы называем «законами физики», было бы лишь местными закономерностями, замороженными реликтовыми отражениями обстоятельств конкретного пути, которым следовал наш участок космического пространства, остывая после горячего Большого взрыва. Так же как замеченная Дарвином форма клюва галапагосских вьюрков или правосторонняя закрученность спирали ДНК, свойства частиц и сил были бы не отражением высшего замысла, но всего лишь особенностями нашего локального космического окружения. Дело просто в том, что подобный дарвиновскому естественному отбору процесс, породивший действующие физические законы, происходил в очень и очень далеком прошлом – и это скрывает от нас их эволюционный характер.

Я живо помню лекцию Леонарда Сасскинда «Антропный пейзаж теории струн»[141], прочитанную на симпозиуме «Вселенная или Мультивселенная?» – одной из первых научных конференций, где были представлены как струнные теоретики, так и космологи. Симпозиум проходил в марте 2003 года в Стэнфордском университете под руководством Линде и знаменитого писателя и физика-теоретика Пола Дэвиса. Теоретики были настроены празднично. Уже много лет продвижение к окончательной теории, которая единственно возможным образом описала бы наблюдаемый мир, топталось на месте. На симпозиуме Сасскинд поразительным образом сменил ракурс этого движения: он утверждал, что поиски просто шли в неверном направлении. Теория струн покоится на прочных и глубоких математических принципах, говорил он, но она не является физическим законом в обычном смысле – мы должны воспринимать ее как метазакон, который управляет мультивселенной, состоящей из бесчисленных островных вселенных со своими локальными физическими законами.

Позже в том же году, в Санта-Барбаре, в Институте теоретической физики Кавли начались работы по первой программе космологии суперструн. В переполненной аудитории сияющий от счастья Линде объяснял ловившим каждое его слово струнным теоретикам, как его механизм вечной инфляции, генерирующий вселенные, может породить бесконечное обилие островных вселенных. В нарисованной им картине мира они заполняют даже самые отдаленные уголки математического пейзажа теории струн. Вечная инфляция, заявил он, обращает безграничную вариативность теории в реальную космическую мозаику – мультивселенную.

Беспокоило, однако, что в метазаконах теории струн не говорилось ровно ничего о том, где нам искать себя в этом сумасшедшем космическом лабиринте, а значит, и о том, какого рода Вселенную мы должны рассчитывать наблюдать вокруг себя. Мультивселенная сама по себе безлична и неполна. Эту парадоксальную ситуацию я уже описывал в главе 1: как физическая теория мультивселенная лишает физику ее предсказательной силы.

Но Сасскинд предложил новую грандиозную сделку. Объединяя идею мультивселенной с антропным принципом, утверждал он, эти затруднения с объяснениями можно устранить, вывернув их наизнанку. Ведь антропный принцип выбирает в мультивселенной участок, благоприятный для жизни. Сам по себе антропный принцип нельзя считать научным, но в сочетании с мультивселенной, продолжал Сасскинд, он приобретает реальную предсказательную силу.

Сасскинд выдвинул «космологию антропной мультивселенной» в качестве новой парадигмы фундаментальной физики и космологии, заменив ею ортодоксальные рамки физики, основанной только на объективных и вечных законах.

Оглядываясь назад, можно сказать, что настоящим триггером «антропной революции» в космологии было взаимодействие между упомянутыми прозрениями в теории струн и новыми наблюдениями, указывавшими на присутствие пронизывающей все пространство невидимой темной энергии. Я уже упоминал о том, что на рубеже XXI столетия астрономические наблюдения сверхновых к почти всеобщему изумлению показали: расширение Вселенной в течение последних пяти миллиардов лет ускоряется.

Отчаянно пытаясь найти объяснение этому, теоретики воскресили пресловутый эйнштейновский λ-член, связав с ним темную энергию и отрицательное давление, на самых больших масштабах придающие гравитации свойство отталкивания. Количество темной энергии – значение космологической постоянной λ, требуемое для того, чтобы объяснить наблюдаемое ускорение, оказалось, однако, необычайно малым: поразительные 10-123 от того, что многие считали ее естественным значением. Такое невероятное расхождение между ожидаемым и наблюдаемым имеет отношение к квантовой механике, которая предсказывает, что пустое пространство должно кишеть виртуальными частицами, вибрациями квантового вакуума. Энергия, ассоциируемая со всей этой бешеной активностью вакуума, и определяет космологическую постоянную. Но когда физики сложили вклады всех виртуальных частиц, они получили абсурдно огромное значение космологической постоянной λ – настолько огромное, что оно бы разорвало Вселенную на части, прежде чем галактики еще только начали бы формироваться.

Вплоть до конца 1990-х большинство теоретиков предполагало, что в сердце теории струн существует еще не открытый принцип симметрии, который однозначно приводит темную энергию к нулю. Но сделанное в начале 2000-х открытие, что теория допускает существование расширяющейся мультивселенной, и поставленное с ним в связь потрясающее наблюдательное доказательство того, что космологическая постоянная все-таки не равна нулю, привели к резкой смене представления о «естественном значении» λ. Так поиск фундаментального объяснения нулевого значения постоянной быстро сменился убеждением, что количество темной энергии в огромной и пестрой мультивселенной случайным образом изменяется от одной островной вселенной к другой и что антропный принцип выбрал то очень малое, но ненулевое значение постоянной, которое мы наблюдаем.

Довольно интересно, что первые связанные с антропным принципом соображения в этом контексте появились задолго до теоретических и наблюдательных достижений конца 1990-х. Еще в 1987 году, когда от рассуждений о мультивселенной все отмахивались как от дешевой метафизики, Стивен Вайнберг предложил замечательный мысленный эксперимент, в котором он сосредоточился на значении космологической постоянной с точки зрения антропного принципа. Вайнберг представил гипотетическую мультивселенную и исследовал вопрос о том, в каких островных вселенных развилась бы галактическая паутина. Он отметил, что это условие накладывает крайне жесткий верхний предел на локальное значение космологической постоянной. Фактически в островных вселенных, где λ лишь чуть-чуть больше, чем наблюдаемое нами значение, расширение начало бы ускоряться через миллионы, а не миллиарды лет после тамошнего Большого взрыва, не оставляя веществу никакого времени для конденсации[142]. Но без галактик вселенная была бы безжизненна. Следовательно, тот факт, что мы существуем, заключал Вайнберг, естественно подводит нас к тому, чтобы сосредоточиться именно на редких вселенных лишь с самыми слабыми следами присутствия темной энергии, лежащих в исключительно узком биофильном «окне».

С другой стороны, нам не следует ожидать, что плотность темной энергии будет гораздо меньше, чем требуется для нашего существования. Это и был антропный пункт его аргументации. Вайнберг полагал, что мы – случайно выбранные наблюдатели, живущие в мультивселенной островных вселенных, где реализуются почти все возможные значения – даже те, что лежат внутри узкой полосы значений, совместимых с жизнью. Тогда огромное большинство обитаемых островных вселенных будут иметь плотности темной энергии вблизи верхней границы, поставленной жизнью, – просто потому, что для отбора меньших значений требуется чрезмерно тонкая настройка. Рассуждая таким образом, он заключал, что наблюдаемое количество темной энергии должно быть не нулевым, как считалось в то время, но настолько большим, насколько это возможно, чтобы не нарушать процесса образования галактик. Эта логика еще в 1987 году привела Вайнберга к предсказанию, что астрономические наблюдения могут однажды показать: космологическая постоянная не исчезает, но приобретает очень малое ненулевое значение. Не прошло и десяти лет, как наблюдения сверхновых доказали его правоту.

Более того, оказалось, что теория струн описывает именно такую грандиозную мозаичную мультивселенную, существование которой предполагал Вайнберг в своем мысленном эксперименте. И так случилось, что в начале 2000-х в этой удивительной цепи событий сложился треугольник, состоящий из наблюдений, теоретизирования и построенных на антропном принципе соображений о постоянной λ, – каждая из этих составляющих была в своем роде революцией. Именно это слияние идей и привело к появлению космологии антропной мультивселенной, новой парадигмы, которая запустила процесс радикальной смены точки зрения на «тонкую космическую настройку» – точки зрения, которой придерживались Сасскинд и многие другие.

Значит, если существует мультивселенная, то там и здесь будут чисто случайно появляться редкие островные вселенные с локальными законами, подходящими для возникновения жизни. И жизнь, очевидно, только в этих островных вселенных и будет возникать. А островные вселенные, где условия неблагоприятны для жизни, останутся ненаблюдаемыми – ведь мы не можем вести наблюдения там, где нас нет! Антропный принцип служит для отбора в мультивселеннной обитаемых островов, даже если они исключительно редки. Таким образом, космология антропной мультивселенной, кажется, разрешает старинную «загадку замысла»: мы населяем редкий благоприятный для жизни лоскуток космической мозаики островных вселенных, отобранный антропным принципом в преимущественно безжизненной космической мозаике.

На первый взгляд эта логика, казалось бы, не очень отличается от способа учета обычных эффектов селекции в наблюдаемой Вселенной. Мы не можем существовать в областях, где плотность вещества слишком низка для образования звезд, или в эпоху, когда еще не успело образоваться приличного запаса тяжелых элементов вроде углерода. Нет, мы живем на окруженной атмосферой каменной планете, в зоне возможной жизни вокруг особо устойчивой и спокойной звезды, спустя много миллиардов лет после Большого взрыва – здесь имеется благоприятная для жизни среда, в которой появился шанс для развития разумной жизни. Подобным же образом, говорит нам космология антропной мультивселенной, законы физики в нашем мире внутренне благоприятны для жизни просто потому, что мы вряд ли могли бы существовать во вселенной, физические условия в которой этому бы препятствовали. В некотором смысле антропный принцип говорит нам, что физика наблюдаемой Вселенной такая, какая она есть, просто потому что мы в ней существуем.

ЕСЛИ СУЩЕСТВУЕТ МУЛЬТИВСЕЛЕННАЯ, ТО ТАМ И ЗДЕСЬ БУДУТ ЧИСТО СЛУЧАЙНО ПОЯВЛЯТЬСЯ РЕДКИЕ ОСТРОВНЫЕ ВСЕЛЕННЫЕ С ЛОКАЛЬНЫМИ ЗАКОНАМИ, ПОДХОДЯЩИМИ ДЛЯ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ЖИЗНИ.

На Стивена все эти соображения впечатления не производили. Он был всецело согласен с Сасскиндом, Линде и их последователями в том, что бросающийся в глаза биофильный замысел Вселенной требует объяснения. И он был в корне несогласен, что космология антропной мультивселенной что-то объясняет. На обратном пути в Пасадену после конференции в Санта-Барбаре мы остановились в кубинском танцевальном клубе в Беверли-Хиллз, где Стивен оторвался от танцев, чтобы высказать свое неудовлетворение новой струнной космологией: «Защитники идеи вечной инфляции и мультивселенной тут же запутываются, когда хотят рассказать, что бы увидел типичный наблюдатель, – печатал он в ритме кубинской сальсы. – В их картине мира мы все китайцы, и беда подстерегает нас за углом».

К концу столетия Стивена стало все больше беспокоить, что антропная логика в космологии подрывает основы рационального метода, который составляет суть науки. Возможно, этот тонкий вопрос будет не сразу понятен. Но наберитесь терпения: мы как раз подошли к главному пункту в споре «Линде против Хокинга».

Основная проблема в том, что антропный принцип опирается на предположение – которое очень часто пытаются «замести под ковер», – что мы так или иначе являемся типичными обитателями мультивселенной. То есть, чтобы рассуждать в антропных рамках, мы должны сначала разобраться, что типично, а что нет. Это делается посредством выделения некоторых биофильных свойств физического мира, которые мы полагаем важными для существования жизни. При описании этого качества мы переводим такие слова, как «мы», «нас» или «наблюдатель», на язык физики. Затем это описание вместе со статистическими свойствами мультивселенной используется, чтобы логически вывести из него, в какой категории островных вселенных мы – типичные обитатели мультивселенной – должны обитать, и следовательно, на какие физические открытия мы можем рассчитывать с нашими телескопами.

Но как же происходит отбор «антропных» свойств, определяющих тот ансамбль наблюдателей, типичными, случайно выбранными членами которого мы предположительно являемся? Те или иные свойства действующих законов, количество спиральных галактик, доля барионов в составе этих галактик, число развитых цивилизаций? Все мы типичны в каком-то определенном смысле и нетипичны в каком-то другом. Можно ли назвать меня типичным человеком оттого, что я живу в самой густонаселенной стране моей планеты? Индийские читатели ответят на этот вопрос утвердительно, остальные – вряд ли. Типичен ли я, если живу в стране, где сменяются четыре времени года? Большинство читателей скажут «да», но некоторые все-таки ответят «нет». Кроме того, есть множество ансамблей, о которых вообще ничего нельзя сказать. Живем ли мы во Вселенной с наибольшим числом цивилизаций? Возможно. Но мы точно так же можем оказаться жителями вселенной, нетипичной в этом отношении, такой, в которой есть несколько цивилизаций, но гораздо меньше, чем в других вселенных. И ни данные, имеющиеся у нас сейчас, ни те, что мы получим в будущем, не помогут нам ответить на этот вопрос. Мы попросту этого не знаем. В этом и заключается проблема космологии антропной мультивселенной. Из-за отсутствия ясного критерия, который корректно определяет референтную группу обитателей мультивселенной, все теоретические предсказания космологии антропной мультивселенной становятся неоднозначными. Теория приносится в жертву личным предпочтениям и субъективизму. С вашей точки зрения мы должны оказаться в одном виде островной вселенной, тогда как со своей я выбираю совсем другую – и нет никакой возможности рационального разрешения этого противоречия на основе эксперимента и наблюдения.

Антропное «предсказание» Вайнберга, что мы должны получать из измерений малое, но ненулевое значение космологической постоянной, – яркое свидетельство вышеизложенного. Более пристальное рассмотрение показало, что предсказанное значение сильно зависит от выбранной референтной группы обитателей мультивселенной. Вайнберг предположил, что мы типичны среди тех обитателей островных вселенных, которые отличаются по количеству темной энергии, но во всех других отношениях обладают одними и теми же физическими параметрами. Космологи Макс Тегмарк и Мартин Рис показали, что, если бы вместо этого предположить, что мы случайно выбраны из значительно более обширного ансамбля наблюдателей, населяющих островные вселенные, которые отличаются как значением космологической постоянной, так и размерами первичных зародышей галактик, то предсказанное значение оказалось бы в тысячу раз больше того, которое мы измеряем[143]. Более изобретательные способы выбора референтных групп ведут к поистине абсурдным выводам – например, что мы являемся вакуумными флюктуациями мозгов в пустой во всех других отношениях островной вселенной, а все наши воспоминания тоже посредством флюктуаций обрели существование долю секунды назад. В общем, итог такой: рассуждая в антропном духе, путем соответствующего регулирования популяции случайных наблюдателей по чьему-то вкусу, мы всегда можем обратить любую неудачу в очевидный успех, или наоборот.

Возможно, требовать от космологии мультивселенной фальсифицируемости в старом попперовском смысле – значит хотеть слишком многого. Природа может оказаться не настолько доброй, чтобы дать нам явные наблюдательные или измерительные доказательства отсутствия мультивселенной. Однако мы все же имеем право требовать от физической теории недвусмысленных предсказаний, чтобы дальнейшие наблюдения и эксперименты могли бы, по крайней мере потенциально, последовательно усиливать наше убеждение в ее справедливости. Без этого научный процесс невозможен. Космологии антропной мультивселенной не удается соответствовать этому основному критерию, как не удается это и любой физической теории, предсказания которой основываются на случайном распределении, а наблюдать в этом распределении мы можем только один пример – наш собственный.

Космологи называют это проблемой меры в космологии мультивселенной. Когда дело доходит до наших наблюдений, нам недостает однозначного способа измерения относительного веса различных популяций островных вселенных в мультивселеннной, что подрывает предсказательную силу теории. Эта проблема меры, возможно, наиболее резко проявляется, когда мы пытаемся предсказать свойства вселенной, не имеющие никакого прямого отношения к жизни, – ведь именно тогда антропный принцип не дает никакой возможности, спрятавшись за ним, уклониться от ответа[144]. Мы пришли к классическому кризису в духе Куна. Мы надеялись, что, связав абстрактную теорию мультивселенной с нашим наблюдательным опытом и измерениями, выполненными в этой Вселенной, антропный принцип поможет определить, «кто мы» в космической мозаике вечной инфляции. Однако на основании этого принципа «нас» не удается ввести в уравнения способом, согласующимся с основными научными методами, и это лишает теорию каких-либо объяснительных инструментов.

По сути, обращение к процессу случайного отбора поверх всех метазаконов и независимо от них скрывает решительно неантропный, апеллирующий к Богу подход к космосу. Случайный отбор выглядит, как будто мы каким-то образом обозреваем космос извне и «выбираем», кем нам быть среди всех похожих на нас наблюдателей. Этот подход можно было бы считать правомерным, если бы мы или некий метафизический фактор действительно произвел бы такую операцию и знал бы результат такого отбора. Но так считать нет ни малейшего основания. Приравнивать простую констатацию нами того, что мы – человеческие существа, живущие во Вселенной, к выполнению космического акта случайного выбора логически ошибочно[145]. Следовательно, мы не должны заниматься выводом теоретических предсказаний на том основании, что мы будто бы случайным образом были отобраны из выбранного нами ансамбля. Конечно, вполне возможно (и даже не обязательно маловероятно), что мы живем во Вселенной с во многом нетипичными действующими законами. В сущности, случайный характер нарушающих симметрию переходов заставляет нас ожидать именно этого.

Перед нами – наблюдаемая Вселенная с действующими в ней физическими законами, со звездами и галактиками, в которых иногда находит приют жизнь. Исчерпывается ли этим все, что существует в мире, или это только часть гигантской мультивселенной, логическая ситуация неизменна: наша Вселенная, та, которую мы наблюдаем, обладает набором физических свойств, в высшей степени благоприятных для зарождения и развития жизни. И то, что может или не может происходить в отдаленных вселенных, не имеющих друг с другом никаких причинных связей, не имеет ни малейшего отношения к нашим попыткам понять строение этой Вселенной.

Опасность рассуждений, построенных на основе типичности, до боли знакома нам по другим историческим наукам, от законов биологической эволюции до человеческой истории. Если бы Дарвин предполагал, что мы типичны, ему пришлось бы рассмотреть ансамбль землеподобных планет с целым спектром древ жизни, в каждом из которых была бы ветвь Homo sapiens. Затем он попытался бы предположить, что мы – конкретный пример Homo sapiens на планете Земля – должны быть частью обобщенного древа жизни, составленного из всех возможных древ с ветвью Homo sapiens. То есть он категорически проигнорировал бы то, что стало его главным прозрением: что каждое ответвление древа есть результат игры случайностей и что само древо жизни, которое мы знаем, воплощает в себе свертку истории триллионов случайных изгибов и поворотов, происходивших на протяжении миллиардов лет биологического экспериментирования – а не является результатом внешнего акта случайного отбора.

Огромное количество возможностей биологической эволюции означает: любое причинно-детерминистское объяснение того, почему наше конкретное древо жизни именно таково, обречено на провал. Именно поэтому биологи действуют ретроактивно, ex post facto, – исходя из данного конкретного результата, описывают, как к нему привела определенная последовательность ветвлений. Подход на основе типичности может быть полезным руководящим принципом – если таковой вообще возможен – только при объяснении небольшого числа наиболее общих структурных особенностей биосферы.

Столь же огромное пространство возможных путей возникает, когда теория струн пытается описать возникновение физических законов на заре Большого взрыва – квантовый процесс, в ходе которого происходят случайные скачки и целый ряд нарушающих симметрию переходов. Вследствие этого исход такого процесса не обязан быть ни типичным, ни даже сколько-нибудь вероятным a priori[146]. Но, в отличие от современной биологии, космология антропной мультивселенной игнорирует эту рандомность и принимает фундаментально детерминистскую объяснительную схему, в которой «почему» главенствует над «как». Случай биологии, однако, показывает, что это весьма шаткая основа для понимания «загадки замысла» в космологии. Нобелевский лауреат Дэвид Гросс, к примеру, давно придерживается такого мнения: «Чем больше мы наблюдаем Вселенную и чем больше узнаем о ней, тем хуже работает антропный принцип»[147].

Теория мультивселенной полагает, что у самой идеи эволюции существуют фундаментальные границы. Рассматривая древнюю эволюцию, ведущую к установлению действующих физических законов на фиксированном фоне неизменных метазаконов, космология мультивселенной в конечном счете придерживается существующей в физике относительно ортодоксальной объяснительной схемы, которая предполагает, что на всех уровнях физики и космологии, до самых основ, мы найдем устойчивые, вечные метазаконы. Предполагается, что эти метазаконы принимают форму центрального основного уравнения, управляющего всей космической мозаикой в целом, уравнения, которое позволяет получить численные вероятностные предсказания низкоэнергетических наблюдений, вроде тех, что мы выполняем. В этой самой грандиозной из всех схем мультивселенная немногим отличается от эпицикла в ньютоновой эпистемологии – чем-то она и правда напоминает, как древние астрономы громоздили эпициклы на эпициклы, пытаясь спасти птолемееву модель мира. Эволюция и случайные события в конечном счете остаются в космологии мультивселенной несколько менее фундаментальными вторичными явлениями. В этом и заключается самая суть противостояния «Хокинг против Линде» – кто победит, изменчивость или вечность?

Итак, свершилось? В тот вечер в Беверли Хиллз, в сполохах провозглашенной революционной идеи антропной мультивселенной, на фоне звуков кубинского оркестра, Стивен решил навсегда похоронить антропный принцип. Давай сделаем это по правилам, сказал он. Мы больше не удовлетворялись тем, чтобы отдать фальсифицируемость космологической теории на откуп какому-нибудь ненаучному принципу; мы замахнулись на то, чтобы пересмотреть сами ее основы. Загадка мирового замысла влекла нас в глубину, к самым корням физической науки. И мы были одни. Струнные теоретики остались в другой вселенной.

Рис. 39. Стивен Хокинг и автор в 2006 году в CERN, в подземной камере детектора ATLAS, c официальным представителем ATLAS Питером Женни и его заместительницей, впоследствии Генеральным директором CERN Фабиолой Джанотти.

Глава 6

Нет вопроса? Нет и истории!

Раньше мы были во власти старой идеи: Вселенная где-то там, а здесь человек, наблюдатель, надежно защищенный от Вселенной стеклянной плитой шестидюймовой толщины. Теперь, в квантовом мире, мы узнали: чтобы наблюдать даже такой микроскопический объект, как электрон, нам придется разбить стекло; нам придется войти внутрь…

Джон Арчибальд Уилер, «Вопрос физики»

Как-то раз я спросил Стивена, что он считает славой. «Это когда тебя знает больше людей, чем знаешь ты сам», – ответил он. Скромность этого ответа я осознал только в августе 2002 года, когда его слава помогла решить небольшую космическую проблему.

Это было вскоре после того, как я закончил курс в Кембридже. Прошло уже несколько лет с начала нашего сотрудничества с Хокингом. Мы с женой путешествовали по Центральной Азии, по Великому шелковому пути. Я решил, что, если уж я собрался посвятить всю мою жизнь изучению мультивселенной, то хорошо бы сначала увидеть еще что-нибудь в этой Вселенной. Но так вышло, что в Афганистане, откуда мы направлялись в Узбекистан, в великую древнюю обсерваторию, построенную в Самарканде в 1420-х султаном и астрономом Улугбеком, я получил электронное письмо от Стивена – он просил меня срочно вернуться в Кембридж для встречи с ним. Немного обеспокоенные, мы тут же отправились в обратный путь, но при выезде из Афганистана застряли на старом советском мосту через Амударью, реку, которая разделяет Узбекистан и Афганистан. Одинокий часовой, поставленный на мосту, объяснил, что для въезда в Афганистан граница закрыта. Я попытался объяснить, что мы хотим выехать, а не въехать, но он не увидел между этими двумя вариантами никакой разницы. Повернув от границы назад, я отправился в узбекское консульство в Мазар-и-Шарифе и там, пытаясь договориться о выезде, показал любезному консулу краткое послание Стивена. Консул оказался поклонником Хокинга! Не прошло и нескольких минут, как он лично перевез нас через мост в Узбекистан, откуда мы и вылетели в Кембридж[148].

К тому времени DAMTP переехал за пределы центра Кембриджа и стал частью нового современного кампуса математических наук, построенного на задах спортивных площадок Сент-Джон-Колледжа, на западной окраине города. Просторный, полный света, с прекрасным видом на кампус угловой кабинет Стивена, начиненный разнообразной бытовой электроникой – частенько не очень понятного назначения, – был совершенно не похож на пыльный темный офис на Силвер-стрит, где мы когда-то познакомились. Когда я влетел в комнату, глаза Стивена сияли от возбуждения. Я подозревал, что причина этого мне известна.

Стуча по клавиатуре заметно быстрее обычного, Стивен на сей раз не стал тратить время на свои привычные «разговоры обо всем» и прямо приступил к делу[149].

«Я передумал. “Краткая история [времени]” написана под неверным углом зрения».

– Согласен! – улыбнулся я. – А вы уже сказали об этом издателю?

Стивен с любопытством взглянул на меня.

– В «Краткой истории» вы смотрите на Вселенную глазами Господа Бога, – заявил я, – как будто мы каким-то образом смогли взглянуть на Вселенную или ее волновую функцию со стороны.

Стивен поднял брови – этим он сообщал мне, что мы поняли друг друга.

«Как Ньютон и как Эйнштейн, – написал он, как будто защищаясь. – Потом продолжил: – Взгляд “глазами Бога” подходит для лабораторных экспериментов, вроде опытов по рассеянию частиц, где мы подготавливаем исходное состояние и измеряем конечное. Однако мы не знаем, каким было исходное состояние Вселенной, и уж, конечно, не можем пробовать разные исходные состояния, чтобы посмотреть, какие вселенные будут при этом получаться».

Как мы все знаем, лаборатории специально проектируются, чтобы изучать поведение систем с внешней точки зрения. В лаборатории ученый тщательно поддерживает четкое разделение между своими экспериментами и миром вне их пределов. (И физики, экспериментирующие с частицами в CERN, должны, разумеется, соблюдать правила техники безопасности, когда наблюдают за высокоэнергетическими столкновениями!) Ортодоксальные физические теории отражают это разделение, проводя ясное смысловое разделение между динамикой, управляемой законами Природы, и граничными условиями, представляющими условия проведения эксперимента и начальное состояние системы. Первое мы пытаемся исследовать и тестировать, вторым мы стремимся управлять. Этот дуализм я описал в главе 3.

Резкое разделение между законами и граничными условиями сообщает лабораторной науке ее предсказательную силу, но одновременно ограничивает ее область действия. Всю Вселенную не втиснуть в границы лабораторной установки.

Предвосхищая реплику Стивена, я с нажимом возразил:

– В космологии взгляд «глазами Бога» вводит в очевидное заблуждение. Мы находимся внутри Вселенной и никак не можем каким-то образом оказаться снаружи.

Стивен дал понять, что согласен с этим, и напряженно сосредоточился на составлении новой реплики.

«Мы упустили это из виду, – стучал он по клавиатуре, – и это завело нас в тупик. Космологии нужна новая философия физики».

– Ага, – засмеялся я, – наконец пришло время и для философии!

Стивен на минуту расстался со своим подозрительным отношением к философии и кивнул – точнее, поднял брови в знак согласия. Как мы с ним давно уже поняли, спор «Линде против Хокинга» был не просто выяснением преимуществ одной космологической теории перед другой. В центре противостояния по проблеме мультивселенной лежат глубокие эпистемологические вопросы о природе физической теории. Как связаны с нашими физическими теориями мы сами? И что в конечном счете невероятные открытия в физике и космологии рассказывают нам о великой загадке существования?

С самого начала современной научной революции физика добивалась успеха, глядя на космос «с точки зрения Бога». Не с точки зрения Бога-творца – во всяком случае, не всегда, – но в смысле теоретической перспективы.

Когда Коперник бросил вызов геоцентрическому мировоззрению древних, ему помогло в этом воображение: он как бы взглянул на Землю и Солнечную систему извне, со стороны звезд. Его предположение, что планеты движутся по круговым орбитам, означало, что представленная им гелиоцентрическая модель была неточной – но неточными были и астрономические наблюдения того времени[150]. Однако, воображая себя высоко парящим над Землей и планетами, Коперник нашел революционно новый способ думать о космосе и нашем месте в нем. Он открыл то, что можно назвать архимедовой точкой в физике и астрономии[151] – идею, что существует удаленная точка зрения, встав на которую, можно достичь объективного понимания мира[152]. И если новой науке, которая вдохновилась этой идеей, потребовались столетия, чтобы развиться и изменить мир, коперниканская революция всего за несколько десятилетий перенесла человечество в совершенно новую понятийную реальность, в которой оно больше не было центром Вселенной[153].

Сегодня мы знаем, что труды Коперника были только началом неумолимого стремления к утверждению архимедовой точки. Столетие за столетием коперниканская перспектива все глубже проникала в язык физики. Чем бы мы сегодня ни занимались в физике – ускорением частиц, созданием новых элементов или регистрацией слабых фотонов CMB-излучения, мы всегда строим наши рассуждения так, как будто взаимодействуем с Природой, находясь в некоторой абстрактной точке вне ее – это, если угодно, «взгляд ниоткуда»[154]. Вовсе не находясь при этом «нигде», а оставаясь привязанными к Земле и земным условиям, физики выработали множество хитроумных способов взаимодействовать с Вселенной и думать о ней так, как если бы мы могли представлять ее объективно.

Никакое другое открытие не привело на этом пути к такому гигантскому прыжку вперед, как ньютоновы законы движения и тяготения. Ньютон понимал, что отношения между математикой и физическим миром, которые ставили ученых в тупик со времен Платона, включают в себя движение и эволюцию, а не вневременные очертания и формы. Успех и универсальная применимость его законов подтверждали идею, что наука приносит нам истинное объективное знание о мире. В своем труде Ньютон пытался применить «взгляд ниоткуда», относя все движения к воображаемой фиксированной сцене мирового пространства, границы которой были обозначены далекими звездами – абсолютного пространства, которое он считал неизменным и неподвижным. Его закон тяготения и три закона движения диктовали объектам, как им двигаться на этой сцене, – но ничто никогда не могло изменить свойств самого абсолютного пространства. Абсолютное пространство и абсолютное время были в ньютоновой физике чем-то вроде жестких строительных лесов, созданной Богом фиксированной и вечно существующей ареной, на которой разыгрывались все процессы в мире.

Но даже этот абсолютный фон не был, вопреки надеждам Ньютона, вполне объективной точкой отсчета. Простая математическая форма его законов соблюдается на космической сцене только для привилегированных актеров – тех, что не вращаются или не ускоряются относительно абсолютного пространства. Представьте, например, что вы – «непривилегированный астронавт», который находится, скажем, во вращающемся космическом корабле. Если бы вам вздумалось выглянуть в иллюминатор, вы бы увидели, что далекие звезды описывают на небе круги в направлении, противоположном направлению вращения вашего корабля, хотя на них не действуют никакие силы. Это нарушает первый закон движения Ньютона, согласно которому тела, на которые не действуют никакие силы, находятся в состоянии покоя или двигаются с постоянной скоростью по прямой. Таким образом, прекрасные законы Ньютона истинны только для тех особых наблюдателей, которые связаны с абсолютным пространством: для них законы движения каким-то образом оказываются проще, чем для всех остальных.

Этого оказалось достаточно, чтобы Эйнштейн был недоволен законами Ньютона. Ему казалось глубоко неправильным, что в описании Природы есть привилегированные действующие лица, для которых весь мир выглядит проще благодаря самому характеру их движения. Эйнштейн полагал это пережитком докоперниковского мировоззрения – пережитком, который подлежал искоренению. И он был искоренен. Эйнштейн заменил ньютоновы абсолютное пространство и время новой концепцией пространства-времени, относительного и динамичного. Его гений заключался в отыскании способа так формулировать физические законы, что все наблюдатели, где бы они ни находились и как бы они ни двигались, получали бы одни и те же уравнения. Уравнение общей теории относительности Эйнштейна, приведенное в главе 2, выглядит одинаково для всех. Чтобы учесть зависимость результатов наблюдений любого конкретного наблюдателя от его положения и движения, теория относительности оснащена системой правил преобразования, которые связывают восприятие различных наблюдателей друг с другом. С помощью этих правил любой может извлечь «объективную суть» Природы – по крайней мере в том, что касается классического тяготения, – из того самого универсального уравнения, что приведено выше. Теория относительности реализует идеал Эйнштейна: никто не должен иметь привилегированной точки зрения. По Эйнштейну, истинно объективные корни реальности надо было искать не с конкретной точки зрения привилегированного наблюдателя, но в абстрактной математической архитектуре, лежащей в основании Природы. Эйнштейн вынес архимедову точку физики за пределы пространства и времени, в трансцендентный мир математических соотношений. Это видение мира укрепило в научных кругах идею, что на свете существуют фундаментальные физические законы, реальность которых выше и шире пределов физической Вселенной и которым можно дать рациональное и причинное объяснение. Нобелевский лауреат Шелдон Ли Глэшоу, возможно, самый яркий защитник этой позиции, сказал в 1992 году: «Мы верим, что мир познаваем. Мы утверждаем, что существуют вечные, объективные, над-исторические, общественно нейтральные, внешние и универсальные истины»[155].

Несмотря ни на что, космология мультивселенной придерживается того же представления – что физика в конечном счете покоится на прочном и вечно неизменном основании. Теория мультивселенной в некотором смысле сдвигает архимедову точку еще дальше – гораздо дальше, чем это смели делать сам Архимед, Коперник и даже Эйнштейн. Пользуясь представлением о том, что метазаконы мультивселенной обладают неким первичным существованием, космология мультивселенной вновь подтверждает восходящую к Ньютону парадигму пространства конфигураций физических явлений, погруженного в фиксированную фоновую структуру; мы можем воспринимать ее и оперировать ею «с позиции Бога».

В то время как онтологический статус физических законов едва ли имеет какое-то значение в контролируемой среде лабораторий, он взрывается нам в лицо, когда мы начинаем задумываться о более глубоком происхождении этих законов – и уж конечно, когда мы ищем причину их биофильности. В предыдущей главе я описал, как теория мультивселенной попадает в саморазрушающую спираль, когда мы с ее помощью пытаемся проникнуть в эти глубокие тайны. Это привело нас к вопросу, покоится ли вообще ее здание на прочном фундаменте. Не качнулся ли коперниканский маятник в космологии слишком далеко в сторону абсолютной объективности?

По правде говоря, открытия Коперника и его прославленных современников вызвали замешательство ранних философов нового времени. Как мы, люди, навеки обреченные жить в условиях Земли, можем в то же время видеть мир объективно? Непосредственная философская реакция на приход эпохи современной науки была далека от победного ликования – это были глубокие сомнения, начиная с декартового de omnibus dubitandum («подвергай все сомнению») и заканчивая его же далекоидущими тревожными раздумьями о том, существуют ли вообще такие вещи, как истина или реальность. Глубочайший смысл максимы Ignoramus: «не знаем», которая и стала толчком к научной революции, был одновременно и ударом по уверенности человека в понимании окружающего мира. Ханна Арендт, одна из крупнейших мыслителей ХХ века, рельефно обрисовала эту неловкую, балансирующую позицию в своей книге «Состояние человека»: «Великие шаги, сделанные в науке Галилеем, показали, что как худший из страхов человеческого умозрения – страх, что наши чувства могут нас предать, так и самая дерзкая его надежда – архимедова мечта о внешней точке опоры, которая откроет нам путь к универсальному знанию, – могут сбыться только вместе»[156].

Картезианский ответ на научную революцию состоял в том, чтобы сдвинуть архимедову точку внутрь самого человека, чтобы избрать конечной точкой отсчета человеческий разум. Рассвет нового времени обратил взор человека вглубь себя. Из dubito ergo sum («сомневаюсь, следовательно, существую») произошло cogito ergo sum – «мыслю, следовательно, существую». Таким образом, научная революция привела к парадоксальной ситуации: человечество обратилось внутрь себя, тогда как и его телескопы, и все сопутствующее научному прогрессу экспериментирование и абстрагирование уносило его вовне, на миллионы и в конечном счете миллиарды световых лет в глубину Вселенной. За пять столетий развития науки сочетание этих двух противоположных устремлений привело человечество в состояние замешательства и растерянности. На некотором уровне современная наука, и в частности космология, выявила удивительную сеть взаимосвязей между природой космоса и нашим существованием в нем. Во всем, от образования углерода в ходе термоядерного синтеза в поколениях звезд до квантовой природы зарождения галактик в первичной Вселенной, наше современное понимание космоса видит картину грандиозного синтеза. Однако на более фундаментальном уровне, на уровне, который Стивен задался целью раскрыть, эти открытия оставляют понимание человеком своего места в величественной космической схеме глубоко неопределенным. Современная наука создала разрыв между нашим пониманием механизмов природы и нашими человеческими целями – разрыв, который постепенно разъедает в человеке его чувство принадлежности к миру. Стивен Вайнберг, пылкий редукционист и необыкновенно одаренный мыслитель архимедова толка, сказал об этой тревоге в конце своей книги «Первые три минуты»: «Чем больше Вселенная кажется постижимой, тем больше она выглядит бесцельной».

Я не могу избавиться от ощущения, что в самой основе такого видения лежит воспринятая Вайнбергом платоновская концепция законов. В научной онтологии, в которой разорвана наша связь с самыми фундаментальными физическими теориями и с космологией как таковой, нет ничего удивительного, что Вселенная – та, которую наука позволяет нам открывать, оказывается бесцельной, и что ее биофильный характер остается в высшей степени таинственным и сбивающим с толку.

Что же случится, если мы расстанемся со взглядом на мир «глазами Бога»? Что, если бы мы отказались от «взгляда из ниоткуда», а взамен привели бы себя и все остальное в ту систему, которую мы ставим целью понять? В истинно всеобъемлющей, холистической космологии не должно быть никакой «остальной Вселенной», которая держится на расстоянии, чтобы тем самым определить граничные условия или удержать метафизический фон абсолютов. Космология, если она вообще существует, есть лабораторная наука, вывернутая наизнанку, – мы находимся внутри системы, глядя из нее вверх и наружу.

«Пора перестать играть в Бога», – широко улыбаясь, сказал Стивен, когда мы возвращались с обеда.

Столовая в новом математическом кампусе была совершенно не похожа на шумную комнату отдыха в старом здании DAMTP, так прекрасно приспособленную и для разговоров о науке, и для дружеской болтовни. Главным недостатком новой столовой было не качество блюд – оно как раз было отличным – а то, что нам не разрешалось писать уравнения на поверхности столов.

В виде исключения Стивен на этот раз, похоже, соглашался с философами.

«Наши физические теории не могут задаром занимать место на платоновых небесах, – отстучал он. – Мы ведь не ангелы, которые глядят на Вселенную снаружи. Мы и наши теории – часть той Вселенной, которую мы описываем».

И продолжил:

«Наши теории никогда нельзя полностью отделить от нас самих»[157].

Это очевидность и даже в какой-то мере тавтология: теоретизируя на космологические темы, следует принимать во внимание наше существование во Вселенной. Тот очевидный факт, что мы живем на планете, находящейся в Млечном Пути, что нас окружают звезды и другие галактики, что мы погружены в безграничный океан слабого микроволнового фона, означает, что мы по необходимости должны смотреть на космос «изнутри наружу». Стивен называл это «точкой зрения червяка». Но не значит ли это, что, как бы парадоксально это ни выглядело, чтобы достичь более высокого уровня понимания космологии, мы должны научиться жить с присущим позиции червяка легким элементом субъективизма?

Мы разговаривали, а тем временем в кабинете Стивена происходила обычная деловая суета, отчего комната становилась чем-то похожей на голубятню. Постоянно одни входили, другие выходили – коллеги, медицинский персонал, какие-то знаменитости, – но Стивен, казалось, не замечал этого непрерывного движения. Я и прежде обращал внимание, что изрядная доля хаоса вокруг была ему необходима для концентрации. Наш обычный дневной перерыв, во время которого он угощал меня чашкой чаю, а сам налегал на бананы и киви, Стивен снова и снова посвящал вопросу о классических основаниях космологии мультивселенной. Именно их он считал главной причиной неискоренимости «точки зрения Бога» в космологическом мышлении.

«Защитники мультивселенной не могут расстаться с “точкой зрения Бога”, потому что исходят из следующего глобального предположения: космос имеет единственную историю в форме фиксированного пространства-времени с хорошо определенной исходной точкой и уникальной эволюцией. Эта картина в основе своей классическая».

По правде говоря, космология мультивселенной – гибрид классического и квантового мышления. С одной стороны, мы представляем себе, что случайные квантовые скачки порождают все разнообразие островных вселенных. С другой стороны, мы предполагаем, что это происходит в гигантском существующем изначально расширяющемся пространстве. Последнее в теории мультивселенной играет роль классического фона – подмостков вроде ньютоновой арены, только постоянно раздувающихся. Наличие этого фона позволяет – и не просто позволяет, а искушает – представить себе эту мозаику островных вселенных снаружи, как будто сотворение островных вселенных с фундаментальной точки зрения не отличается от обычного лабораторного эксперимента.

Стивен продолжал щелкать клавишами, стремясь довести эту мысль до конца.

«Идея мультивселенной ведет к философии космологии, направленной снизу вверх, – написал он. – В ней мы представляем себе развитие космоса направленным вперед по стреле времени – это позволяет нам предсказывать то, что мы должны увидеть».

В качестве объяснительной схемы теория мультивселенной становится в один ряд с онтологическими программами Ньютона и Эйнштейна и с их в основе своей причинным и детерминистским способом мышления о Вселенной. Это мышление, например, проявляется в представлении, что обитатели той или иной островной вселенной, входящей в мультивселенную, мыслятся как обладающие уникальным и определенным прошлым.

– Но вы с Джимом в вашей теории отсутствия границы выбрали точно такое же направление «снизу вверх», – возразил я, – хоть эта теория вроде бы должна быть квантовой. И тот же порочный причинный подход заложен вами в «Краткую историю [времени]».

Мне почудилось, что моя реплика натолкнула нас на какую-то критически важную идею. Стивен поднял брови и быстро защелкал кликером.

Дожидаясь, пока он допишет фразу, я листал его докторскую диссертацию 1965 года, которую снял с полки за нашими спинами. В самом ее конце я наткнулся на параграф, где он углубляется в теорему о сингулярности Большого взрыва, которую незадолго до того доказал. Теорема о сингулярности, писал Стивен, подразумевает, что происхождение Вселенной было квантовым событием. Чтобы описать его квантовый характер, он впоследствии и стал развивать гипотезу об отсутствии границы (см. главу 3). И все же теорию об отсутствии границы он рассматривал через линзу причинности, характерную для классической космологии.

С позиции «снизу вверх» гипотеза об отсутствии границы описывает сотворение Вселенной из ничего. Эта теория представляется еще одним платоновским сооружением – как будто наполненным абстрактным «ничем», предшествовавшим пространству и времени. Когда Джим и Стивен впервые выдвинули свою идею о генезисе без границы, они стремились дать истинно причинное объяснение происхождению Вселенной – не просто тому, как она возникла, но также и почему она вообще существует. Получилось не очень хорошо. В схеме «снизу вверх» теория отсутствия границы предсказывает сотворение пустой Вселенной, свободной от галактик и наблюдателей. Ясно, что это сделало теорию в высшей степени противоречивой, как я и показал в главе 4.

Между тем Стивен перестал кликать, и я наклонился, чтобы из-за его плеча прочесть написанное.

«Теперь я отвергаю идею, что Вселенная обладает глобальным классическим состоянием. Мы живем в квантовой Вселенной, а значит, ее следует описывать суперпозицией ее историй, в духе Фейнмана – каждая история со своей вероятностью».

Итак, Стивен с жаром ухватился за свою обычную мантру квантовой космологии. Пытаясь убедиться, что мы еще понимаем друг друга, я перефразировал то, что он, как я полагал, имел в виду:

– Вы говорите, что мы должны принять полностью квантовый взгляд не просто на то, что происходит сейчас во Вселенной, – на волновые функции частиц, струн, и так далее, – но на космос как целое. А это значит расстаться с идеей, что существует что-то вроде глобального классического пространственно-временного фона. Вместо этого мы должны думать о Вселенной как о суперпозиции многих возможных пространств-времен. Значит, квантовая Вселенная является неопределенной даже на самых больших масштабах – на масштабах, простирающихся далеко за пределы нашего космологического горизонта, вроде тех, которые ассоциируются с вечной инфляцией. И эта крупномасштабная космическая размытость подводит мину под тот вечный фон, существование которого предполагают Линде и фанаты мультивселенной.

К моему облегчению брови Стивена снова полезли вверх. Кликанье возобновилось, хотя на этот раз медленнее: казалось, что он колеблется. Наконец на экране появилось вот что:

«Вселенная, какой мы ее наблюдаем, – единственная разумная точка отсчета в космологии».

Определенно, наш разговор переходил на уровень пророчеств оракула – это ощущение усиливало белое облачко пара, выпускаемого увлажнителем воздуха на столе. Стивен двигался к центральной стадии нашей дискуссии – к тому, что философы часто называют фактичностью Вселенной, к самому факту ее существования и к тому, что она оказалась такой, какая есть, а не какой-то еще. Это звучало разумно, но к чему это нас вело? Готов ли он был все переосмыслить? У меня было множество вопросов, но я давно уже усвоил одну особенность Стивена: когда он говорил, что что-то «разумно», он подразумевал при этом, что какая-то идея, которую он не мог толком доказать, на интуитивном уровне ощущалась им как правильная, а следовательно, не подлежала обсуждению. Поэтому я попробовал продолжить наш разговор, вслух рассуждая о том, может ли более расширительный и пластичный взгляд квантовой космологии на историю – от одной истории к множеству возможных историй – каким-то образом отвлечь космологическую теорию как целое от поисков архимедовой точки. Может ли правильная квантовая теория космологии включить в свои построения нашу перспективу «с точки зрения червяка» и в то же самое время, в отличие от антропного принципа, остаться верной основным принципам науки? Через пятьсот лет после Коперника это было бы выдающимся актом унификации.

Опять в замедленном темпе, будто не в силах справиться с замешательством, которое охватило нас перед решающим сдвигом куновской парадигмы, собрав всю свою энергию, Стивен написал еще одну строчку:

«Я думаю, что правильное квантовое воззрение [на Вселенную] ведет к иной философии космологии, в которой мы движемся сверху вниз и ретроградно во времени, начиная при этом с поверхности наших наблюдений»[158].

Я был поражен. Новая философия Стивена, его взгляд «сверху вниз», казалось, опрокидывает отношение между причиной и следствием в космологической теории. Но когда я сказал об этом Стивену, он только улыбнулся. Было видно, какое удовольствие доставляет ему его открытие. Пути назад не было.

Заканчивая разговор, он подытожил нашу новую позицию в свойственной ему лаконичной и дерзновенной форме:

«История Вселенной зависит от вопроса, который вы ей задаете. Спокойной ночи».

Что же Стивен хотел этим сказать? Ключевая роль «акта наблюдения» в квантовой механике (в формулировке Стивена – вопроса, который мы задаем Вселенной) осознается физиками с 1920-х, со времен создания квантовой теории. Это одна из самых неожиданных особенностей квантовой механики – производимые экспериментатором наблюдение и измерение в явном виде включены в процесс предсказания их результата. По сути, именно это больше всего беспокоило Эйнштейна в теории квантов. В октябре 1927 года на Пятом Сольвеевском конгрессе в Брюсселе квантовые физики первого поколения праздновали рождение новой триумфально входящей в науку теории микромира. Передавали слова немецкого физика Макса Борна, что развитие физики завершится в течение шести месяцев, и организатора симпозиума Эрнеста Сольвея это даже не слишком удивляло. Сольвей учредил свои конференции физиков в 1911 году и расписал их на 30 лет вперед – он считал, что к тому времени физика уже даст миру все, что она должна была ему дать[159].

Однако ум одного из величайших научных революционеров XX столетия с новой квантовой механикой смириться никак не мог. Эйнштейн приехал на Пятый Сольвеевский конгресс в состоянии глубокой неудовлетворенности квантовой теорией. Он отклонил приглашение Лоренца сделать доклад и, как рассказывали, во время конференции был молчалив. Однако споры шли не только на заседаниях. Все ученые жили в одном отеле, и там, за общим обеденным столом, Эйнштейн вел себя гораздо свободнее. Нобелевский лауреат Отто Штерн оставил нам свидетельство очевидца: «Эйнштейн спускался к завтраку и тут же принимался высказывать свои опасения по поводу новой квантовой теории. Он каждый раз выдумывал прекрасный мысленный эксперимент, из которого было видно, что в самом сердце теории заключено логическое несоответствие… Бор внимательно выслушивал его, а вечером, за ужином, подробно разъяснял суть противоречия и указывал выход из него»[160].

Эйнштейн резко выступал против квантовомеханической идеи, что частица могла оказаться в определенном месте, когда ее наблюдают, но имела только некоторую вероятность оказаться в той или иной точке, когда не подвергалась наблюдению. «Физика есть попытка воспринять реальность такой, какова она есть, независимо от того, наблюдаем мы эту реальность, или нет»[161], – возражал он. В шутку он спрашивал, необходимо ли наблюдателю быть человеком, чтобы частица заняла определенное положение, или будет достаточно, если на нее случайно посмотрит, скажем, мышка.

ИСТОРИЯ ВСЕЛЕННОЙ ЗАВИСИТ ОТ ВОПРОСА, КОТОРЫЙ ВЫ ЕЙ ЗАДАЕТЕ.

Рис. 40. Нильс Бор и Альберт Эйнштейн на Шестом Сольвеевском Конгрессе в Брюсселе (Бельгия), 1930 г.

Вероятностная природа квантовой механики была для Эйнштейна сигналом неполноты теории. Он считал, что должен существовать более глубокий уровень описания, который давал бы объективное и адекватное представление физической реальности, безотносительно к каким-либо актам наблюдения. «[Квантовая] теория дает прекрасные результаты, но вряд ли делает нас ближе к разгадке Его секретов, – писал он Борну. – Как бы там ни было, я убежден, что Он не играет в кости»[162]. В противоположность Эйнштейну Нильс Бор, который был так же силен в философии, как и в математике, интуитивно был глубоко убежден, что квантовая механика непротиворечива. Бор серьезно принимал центральное положение квантовой теории: акт наблюдения – тот самый вопрос, который мы задаем Природе, – влияет на то, как именно Природа проявляет себя. Он придерживался принципа «никакое явление не является реальным, пока оно не станет наблюдаемым».

И вышло так, что на Пятом Сольвеевском конгрессе был сделан первый шаг в одном из величайших научных споров XX века: в споре Эйнштейна с Бором. Что было на кону? Судьба квантовой революции.

Один из аспектов их спора касался ключевого вопроса о причинности и детерминизме в физике. Квантовая механика со своими случайными скачками и вероятностными предсказаниями очевидным образом разрушает столь знакомую нам по классической физике прямую причинную связь между тем, где мы находимся сейчас и где мы окажемся в следующий момент. Является ли этот недостаток причинности и детерминизма в нашем описании Природы лишь временным техническим обстоятельством (позиция Эйнштейна) или фундаментально новым свойством физической теории (позиция Бора)?

Но дискуссия затрагивала и более глубокую онтологическую сторону квантовой механики. В ответ на возражения Эйнштейна Бор был вынужден прояснить, что именно побуждает волновые функции в квантовой механике переходить от туманных и смутных наложений различных реальностей к вполне определенной реальности ежедневного опыта. Мы не наблюдаем никаких наложений реальностей: экспериментаторы находят частицы либо здесь, либо там, но не здесь и там одновременно. Как же именно это происходит? Дерзкий ответ, который давала на этот вопрос копенгагенская школа Бора, заключался в том, что этот переход происходит из-за самого вторжения в реальность экспериментатора. Бор полагал, что сам акт измерения вынуждает Природу определиться и проявить ту или другую реальность. Когда мы измеряем, к примеру, положение частицы, мы воздействуем на нее – скажем, направляя на нее лазерный луч. Это воздействие, утверждал Бор, вызывает коллапс распределенной в пространстве волновой функции частицы, приводя ее к пику в единственном из ее бесчисленных возможных положений – в наблюдаемом. Выключим лазер – и волновая функция снова распространится повсюду, непрерывно и плавно изменяясь от точки к точке в соответствии с уравнением Шрёдингера, что я и описал в главе 3. Возвратимся к измерениям – и волновая функция частицы снова сконцентрируется в состояние с определенным положением.

Неувязкой схемы Бора было то, что эти внезапные коллапсы совершенно не согласуются с уравнением Шрёдингера. Волновые функции, которые подчиняются этому уравнению, не могут резко коллапсировать – они непрерывно колеблются, все время оставаясь гладкими и непрерывными. Получалось, что своей интерпретацией того, что происходит во время акта наблюдения, Бор приписывал наблюдателям и их измерениям особую роль, что совершенно не вписывалось в математические рамки теории.

Копенгагенская схема сводится к так называемой инструменталистской интерпретации квантовой теории. Она предполагает существование фундаментального расхождения между тем, что мы способны измерить нашими инструментами, и описываемой уравнениями физической реальностью. «Наши измерения имеют такое же отношение к тому, что они измеряют, какое телефонный номер имеет к его абоненту», – как однажды выразился по поводу копенгагенской схемы Эддингтон[163]. Но такой инструменталистский подход создает глубокую эпистемологическую проблему – что же тогда в действительности описывает квантовая механика? Копенгагенская интерпретация на эту загадку никакого света не проливает. По сути, она стремится вообще уклониться от этого вопроса, настаивая на четком разделении между квантовым миром атомов и субатомных частиц – миром, управляемым уравнением Шрёдингера, – и внешней фоновой реальностью, в которой находятся макроскопические экспериментаторы со своими приборами, да и вся остальная Вселенная, подчиняющаяся классическим законам. Коллапс волновой функции в ходе «акта измерения» был мостиком, который Бор перебрасывал между этими двумя обособленными мирами, – примерно так же, как антропный принцип позволяет выбрать островную вселенную в мультивселенной. Обе эти операции были предназначены для связи объективного математического формализма с физическим миром наших наблюдений – но обе не сработали, потому что создаваемые ими соединительные арки оставались внешними по отношению к структуре теорий, которые эти операции призваны были завершить.

Бор и Эйнштейн много лет оттачивали свои аргументы в этом споре, но так никогда и не пришли к согласию. Подводя его итог, мы высоко ценим глубокую идею Бора о том, что процесс наблюдения играет ключевую роль в обуславливании физических явлений в квантовой Вселенной. С другой стороны, его описание этого процесса в терминах резкого коллапса волновой функции глубоко несостоятельно. Сегодня все говорит за то, что математический аппарат Шрёдингера приложим не только к микроскопическим коллективам из нескольких частиц, но и к гораздо более крупным конгломератам, составляющим макроскопические системы, – включая лаборатории, наблюдателей и в конечном счете Вселенную в целом. Следовательно, Эйнштейн был прав, когда его не убеждала схема Бора. Он, однако, ошибался, пытаясь осуществить мечту об альтернативной физической теории, основанной на предсказательной схеме, которая бы снова сделала акт наблюдений принципиально несущественным.

Выход из этого тупика в конце концов нашелся – в результате тщательно выполненного включения акта наблюдения в математический формализм квантовой теории. Этот синтез вывел квантовую механику гораздо дальше даже того, что предвидел Нильс Бор. Именно к этому мы теперь и переходим.

Все началось с выполненной в середине 1950-х блестящей работы Хью Эверетта III, студента Джона Уилера. Сначала он занимался теорией игр, но после того, как услышал доклад Эйнштейна о квантовом измерении, заинтересовался этой проблемой. Эверетт разрушил стену, воздвигнутую Бором между квантовым микромиром и классическим макромиром. Его ключевая идея состояла в том, чтобы принять всерьез математический аппарат квантовой механики и применить его ко всему. Допустим, предположил он, что никакого коллапса нет, а есть лишь единая универсальная волновая функция, включающая наблюдателей и все остальное, гладко и непрерывно эволюционирующая и в процессе своей эволюции проходящая, в духе Фейнмана, все возможные пути своей истории. То есть Эверетт сделал грандиозный шаг: начал думать о квантовом мире изнутри, как о замкнутой системе, без какого-либо вмешательства извне. Эту точку зрения иллюстрирует рис. 41, на котором кот Шрёдингера, наблюдатель и вся его лаборатория помещены в один большой ящик.

Рис. 41. Эверетт увидел Вселенную как закрытую квантовую систему, нечто вроде большого ящика, содержащего не только частицы и эксперименты, но и наблюдателей, их оборудование и, в принципе, все остальное. Показанные на рисунке возможные истории этой «вселенной в ящике» включают различные варианты: решил ли наблюдатель посмотреть, как поживает кот, когда именно он решил это сделать, распалось ли уже к этому моменту радиоактивное ядро, как эта ситуация была зарегистрирована и как ее интерпретировал мозг наблюдателя, и т. д., и т. п. Эверетт искал такую формулировку квантовой механики, которая предсказывала бы вероятности различных историй происходящего в ящике, но без каких-либо наблюдений извне или другого внешнего вмешательства.

Перед Эвереттом, таким образом, встала труднейшая задача: объяснить, как в ситуации измерения универсальная волновая функция приводит к определенному конкретному ответу, в то же время избегая коллапса. И здесь его рассуждения становятся невероятно интересными – и одновременно шокирующими.

Эверетт тщательно продумал вопрос о том, что в действительности составляет акт квантового наблюдения. Когда экспериментаторы выполняют измерение, рассуждал он, их взаимодействие с измеряемой системой вовлекает в себя – «запутывает» с квантовым состоянием системы – сначала несколько частиц, потом измерительное оборудование и, наконец, их собственное ментальное состояние. Однако это запутывание не приводит, как утверждал Бор, их объединенную волновую функцию таинственным образом к коллапсу; напротив, в соответствии с уравнением Шрёдингера оно вызывает ее разветвление на отдельные волновые фрагменты, по одному на каждый из различных возможных исходов измерения. Таким образом, рассуждая в терминах универсальной волновой функции, которая охватывает как наблюдателя, так и то, что он наблюдает, Эверетт сумел сохранить возможность реализации всех потенциальных исходов измерения. Это, конечно, означало и то, что наблюдатель тоже должен был расщепиться на почти идентичные копии самого себя – по копии в каждой ветви, отличающейся только записанными в ней результатами измерений.

Возьмем, к примеру, кота из знаменитого парадокса, придуманного Шрёдингером: кот помещен в запечатанный ящик, в котором находится мина, приводимая в действие распадом радиоактивного ядра (см. рис. 41). Вероятность распада за определенное время составляет 50 %. В копенгагенской лабораторной схеме ящик рассматривается с внешней точки зрения: схема предсказывает, что кот будет находиться в суперпозиции мертвого и живого одновременно до тех пор, пока ящик не откроют и наблюдатель в него не заглянет. Это не имеет смысла – кот не может быть наполовину живым, как женщина не может быть наполовину беременной. В принятой Эвереттом перспективе, в которой вселенная видится изнутри ящика, вся эта история выглядит совершенно по-другому: в эксперименте, который запутывает судьбу кота с судьбой радиоактивного ядра, история вселенной разветвляется. В одном из ее продолжений ядро распадается, мина взрывается, и коту приходит конец. В другой ветви истории коту повезло – ядро не распадается, и он остается жить. Процесс разветвления происходит гладко и непрерывно: ни одна из копий кота не испытывает необычной суперпозиции, хотя, конечно, исход эксперимента для них разный.

Таким образом, в практическом смысле индивидуальные фрагменты эвереттовской волновой функции ведут себя как отдельные ветви реальности. Каждый из этих фрагментов описывает конкретную историческую траекторию, в которой фигурирует измерительное устройство, регистрирующее конкретный результат, ментальное впечатление, которое наблюдатель получает от исхода опыта, и все остальное, что существует вокруг, – лаборатория, планета Земля, Солнечная система и вся Вселенная. Для наблюдателей, находящихся в своих ветвях, весь процесс раздвоения происходит органично и естественно – как река, разделяющаяся на два рукава. Никто из наблюдателей не подозревает о своем двойнике – они проживают остаток жизни в разных историях, скользя по различным гребням универсальной квантовой волны. «Только вся совокупность состояний этих наблюдателей, с их взаимоисключающим знанием, содержит полную информацию», – заявлял Эверетт[164].

По словам самого Эверетта, он надеялся каким-то образом перебросить мостик между позициями Эйнштейна и Бора, объявив, что различия между ними всего лишь вопрос угла зрения. Свою схему он описывал как «объективно детерминистскую, с вероятностью, появляющейся на субъективном уровне». Это интересный момент. В ранней копенгагенской формулировке квантовой механики вероятности вводились аксиоматически и занимали фундаментальное положение. Откройте любой учебник квантовой механики 1930-х, и на первых же страницах вы увидите, что вероятности определяются как квадраты амплитуд волновых функций. В рамках подхода Эверетта это совсем не так – здесь вероятности проскальзывают в квантовую теорию гораздо более тонким, «субъективным» образом, очень схожим с тем, которым вероятность входит в наше мышление в повседневной жизни. Раздумываем ли мы о погоде, о результатах лотереи или о форме следующей гравитационной волны, которая пройдет через планету Земля, мы все постоянно пользуемся субъективными вероятностями, чтобы дать количественную оценку неопределенности в ситуациях, в которых наши знания неполны. Это понятие вероятности было формализовано итальянским математиком Бруно де Финетти, который в 1974 году написал в своем трактате: «Мой тезис, парадоксальный и немного провокативный, попросту таков: [аксиоматической] вероятности вовсе не существует <…> а существуют только вероятности субъективные, степень веры в осуществимость события, приписываемая данным лицом в данное мгновение и с данным объемом информации»[165]. Это происходит и в реальной повседневной жизни. На протяжении всей нашей жизни большинство из нас доверяет нашим субъективным вероятностным оценкам: ведь то, что мы считаем вероятным, случается с нами часто, а то, что считаем маловероятным, происходит редко.

Расходясь с учебниками, Эверетт отстаивал идею, что вероятности в квантовой теории субъективны точно так же, как и все остальные используемые нами вероятности. В его схеме они возникают потому, что неведение экспериментаторов о конкретном исходе эксперимента, свидетелями которого они станут, является источником неполной информации. Вероятности дают количественное выражение этой неопределенности и тем самым служат для экспериментаторов руководством для определения шансов того или иного исхода – так же, как мы пользуемся прогнозом погоды, когда решаем, брать ли с собой зонтик. Красота и полезность квантовой теории в том, что уравнение Шрёдингера можно использовать для предсказания относительных высот (амплитуд) волновых фрагментов, соответствующих всем возможным исходам измерения, и что квадраты этих волновых амплитуд дают оптимальную стратегию выбора ставок на различные исходы.

Получается, что на уровне повседневного опыта каждый акт наблюдения соответствует как бы процедуре обрубания ответвлений возможного будущего. Ситуация измерения в квантовой теории напоминает дорожную развилку: в этой точке история разделяется на два или более ответвлений. Опыт любого наблюдателя, оказавшегося в такой точке ветвления, говорит о том, что реализуется лишь одна из ветвей. Ветви, которые не соответствуют исходу измерений наблюдателя, развиваются независимо и интереса больше не представляют, так же как и все части дерева, вырастающие из них. В каком-то смысле они уплывают в неизмеримый океан возможностей. Физики говорят, что такие непересекающиеся друг с другом ветви истории расщепляются (decouple), или декогерируют.

Однако декогерируют не все истории. Знаменитый пример – интерферирующие траектории в эксперименте с двумя щелями, о котором я рассказывал в главе 3. В этой схеме пути электрона, проходящего через одну щель, не отделяются от путей, проходящих через вторую щель, а переплетаются, образуя на экране интерференционную картину (см. рис. 20). Переплетение путей означает, что, наблюдая точки прихода на экране, мы не можем сказать, через какую из щелей прошел электрон. Дело выглядит так, как будто каждый индивидуальный путь не обладает полной идентичностью. Только общая сумма всех интерферирующих путей, заканчивающихся в данной точке экрана, составляет независимую ветвь реальности, обладающую значимой вероятностью. Именно поэтому наблюдаемая интерференционная картина объясняется фейнмановской схемой суммирования по историям.

Давайте, однако, представим себе видоизменение этого эксперимента: теперь у каждой щели имеется газовое облако (см. рис. 42). При этом, когда электрон проносится сквозь преграду, фрагменты волны, исходящие из каждой щели, будут взаимодействовать с газом и быстро сделаются несовместимыми: на пути к экрану им будет практически невозможно проинтерферировать.

Неудивительно поэтому, что теперь интерференционная картина на экране больше не появляется – вместо нее мы видим две яркие полосы примерно напротив обеих щелей. Эта картина отражает два главных пути частицы к экрану. На языке Эверетта мы говорим, что среда, состоящая из частиц в окрестности щелей, выполнила акт наблюдения. Это привело к декогеренции волновых фрагментов на две ясно различающиеся истории – ветви реальности, – которые с этого момента развивались независимо. Мы могли бы сказать, что фактически газ задал вопрос: «Через какую из щелей прошел электрон?» – и что тем самым он вынудил волновую функцию электрона расщепиться на два разобщенных фрагмента, соответствующих двум возможным ответам.

Два варианта опыта с двойной щелью иллюстрируют два ключевых свойства схемы Эверетта. Первое: природа задаваемых нами вопросов влияет на структуру дерева независимых ветвей возможных исходов эксперимента. Второе: значимые предсказания в форме оценок разумных исходов, сумма вероятностей которых равна единице, могут быть сделаны только о независимых, декогерентных и существенно различных исторических траекториях. Мы вернемся к этому вопросу в главе 7, где я расскажу, что остается от мультивселенной, когда мы становимся на точку зрения квантовой космологии.

Рис. 42. Вариант эксперимента с двумя щелями: вблизи щелей находятся газовые облака частиц, которые взаимодействуют с электронами. Даже если эти столкновения не очень влияют на траектории электронов, они так или иначе устраняют слабые корреляции между всеми возможными путями частиц к экрану. Вследствие этого интерференционная картина разрушается и вместо нее на экране, примерно напротив щелей, появляются две яркие полосы, соответствующие двум главным путям к экрану. В квантовом смысле частицы газа выполняют акт наблюдения.

В макроскопическом мире процессы, вызывающие декогеренцию, поистине вездесущи. Ежесекундно наша окружающая среда выполняет бесчисленные акты наблюдения, уничтожая квантовую интерференцию и приводя мириады потенциальных возможностей к немногим реальным исходам. Таким образом, среда играет роль естественного мостика между призрачным микромиром суперпозиций и твердо определенным макромиром ежедневного опыта. Даже более того, процессы декогеренции в среде и есть то, что вообще делает довольно грубую классическую реальность возможной, несмотря на постоянные квантовые вибрации на микроскопических масштабах.

Возьмем высокоэнергетическую частицу, испущенную радиоактивным атомом, скажем, атомом урана в земной коре. Вначале эта частица существует как волновая функция, распространяющаяся во всех возможных направлениях; она остается не вполне реальной, пока не провзаимодействует, например, с куском кварца. Когда это случается, одна из множества возможных траекторий частицы сгущается в реальную. Взаимодействие с кварцем преобразует то, что могло бы случиться, в то, что на деле произошло, когда атом урана распался. Внутри любой данной ветви истории этот процесс проявляется как «замороженный случай» в структуре набора атомов, на который воздействовала высокоэнергетическая частица; треки таких частиц иногда используются для датировки минералов. Вселенная, которую мы видим вокруг – данная ветвь реальности, – есть коллективный результат бесчисленного количества таких актов наблюдения. Зафиксированный и выстроенный на протяжении миллиардов лет из неисчислимых случайных исходов, каждый из которых добавляет несколько бит информации в нашу ветвь истории, мир вокруг нас таким путем приобрел свою конкретную идентичность. Поэтому не следует удивляться тому, что в ходе нашего разговора Стивен заключил: взгляд на Вселенную с квантовых позиций вносит в космологию некий ретроградный, обращенный против движения времени элемент.

В математическом отношении схема Эверетта исключительно элегантна: все подчиняется уравнению Шрёдингера. Оно универсально. Подход Эверетта демонстрирует, что классический конструкт Бора – просто лишний груз, без которого можно обойтись. Квантовое измерение прекрасно описывается как интерактивный процесс, в ходе которого происходит запутывание подсистем, – оно вызывает разделение универсальной волновой функции на обособленные декогерентные ветви, которые тут же становятся взаимно невидимыми. Человеческое сознание, люди-экспериментаторы и человеческие наблюдения в схеме Эверетта нельзя считать ни полностью посторонними и не имеющими отношения к делу, ни отдельными сущностями, которые подчиняются другим правилам. Они рассматриваются просто как часть более широко понимаемой квантовомеханической среды и на фундаментальном уровне неотличимы от, скажем, молекул воздуха и фотонов. Эверетт показал, что мы можем оседлать универсальную квантовую волну, а не только смотреть на нее с берега.

И это не просто вопрос семантики или интерпретации. Схемы Эверетта и Бора дают глубоко различные описания того, что происходит при квантовых измерениях и наблюдениях. В то время как, согласно Бору, реализуется только один исход из всех, Эверетт объявляет, что это всего лишь взгляд в рамках данной ветви истории. В его схеме любому данному наблюдателю лишь кажется, будто все другие исходы исчезли. В трактовке Эверетта, если бы мы каким-то образом смогли обратить вспять все многочисленные взаимодействия, вовлеченные в наблюдение, то в принципе могли бы восстановить все различные ветви и заставить их снова проинтерферировать. Разумеется, фантастическое количество частиц, вовлеченных в любой акт наблюдения, делает это устрашающее задание практически невыполнимым. Но все же, если бы волновая функция при наблюдении коллапсировала, сделать это очевидно было бы невозможно даже теоретически.

Противостояние «Бор против Эверетта» приобретает важнейшее значение, когда мы рассматриваем прошлое. Боровская модель коллапса запрещает нам даже думать о повторном восстановлении прошлого. Согласно Бору, бесполезно обращать уравнение Шрёдингера назад во времени для описания прошлого, потому что бесчисленные прошлые акты наблюдения уже проинтерферировали с гладкой эволюцией, описываемой этим уравнением. Но для космологии воспроизводство прошлого с целью понимания, как возникло настоящее, – центральный момент. Выходит, что для космологии копенгагенская формулировка совершенно неадекватна. Чтобы реализовать возможности квантовой космологии, требуется эвереттовское интегрирование процесса наблюдения в математический формализм теории. Схема Эверетта выдвигает глубокую систему принципов, на которых основывается квантовая теория, – принципов, оказавшихся критически важными для применения квантовой теории к Вселенной в целом.

В свое время, однако, предложение Эверетта не встретило понимания. Его коллеги либо не поняли, что он хотел сказать, либо остались равнодушными. Да и сама мысль о приложении квантовой теории ко всей Вселенной казалась нелепой. Даже визионер Уилер, который никогда не стеснялся грандиозных спекуляций, почувствовал себя обязанным написать к статье Эверетта примечание[166], в котором объяснял данную его студентом формулировку квантовой механики в более мягких выражениях, – так он надеялся сделать ее более приемлемой. Но все оказалось тщетно. Обескураженный и раздосадованный Эверетт, сравнив своих коллег с антикоперниканцами в эпоху Галилея, оставил академическую науку и сделал карьеру в сфере оборонных исследований.

Скептицизм научного сообщества был в значительной степени связан с тем, что в качестве физической картины мира эвереттовская формулировка квантовой теории выглядела озадачивающей и экстравагантной. Почему для того, чтобы просто объяснить наблюдаемые явления, нам требуется невообразимо огромное количество ненаблюдаемых путей развития событий и копий самих себя? Не помогало делу и то, что схема Эверетта получила известность как «многомировая интерпретация квантовой механики». Все эти «миры» часто описывались как одинаково реальные, тогда как на деле это слово всего лишь значило, что физические системы имеют множество различных возможных историй.

В конечном счете, однако, альтернативы этому подходу не было. Эвереттовская концепция универсальной волновой функции оказалась тем основополагающим прозрением, которое позволило начать думать о Вселенной в целом в квантовых терминах, как о системе an sich («в себе»), недоступной ни копированию, ни помещению в больший объем. Работа Эверетта позволила надеяться, что правильный квантовый взгляд на Вселенную действительно дает потенциальную возможность расстаться со «взглядом с позиции Бога» и заново выстроить космологию «с позиции червя». Она посеяла семена квантовой космологии, которую позже разовьют Стивен, его кембриджская группа и многие другие исследователи.

Набросок архитектуры квантовой космологии, которая выросла из этих усилий, дан на рис. 43. Ее схема имеет форму взаимосвязанной триады, в которую кроме модели космогенеза (к примеру, гипотезы об отсутствии границы) и понятия эволюции (например, фейнмановской идеи о множестве возможных историй в контексте теории струн) входил и третий, ключевой элемент: наблюдатель и наблюдения.

Рис. 43. Обычные рамки физического предсказания предполагают фундаментальное различие между законами эволюции, граничными условиями и наблюдениями или измерениями. Для решения большинства научных вопросов такой схемы достаточно. Но «загадка замысла» в космологии глубже: она ставит вопросы о происхождении законов и о нашем месте в грандиозной картине космоса. Для ответа на них требуется более общая предсказательная схема, в которой переплетаются эти три составляющих. Именно такую схему и обеспечивает квантовый взгляд на космологию. Изображенная на рисунке взаимосвязанная триада образует концептуальное ядро новой квантовой теории космоса, в которой эволюция, граничные условия и наблюдения сведены в единую целостную схему предсказания. Ее взаимосвязанность означает, что любые законы квантовой космологии проистекают из смеси всех трех этих компонентов.

Спешу сообщить: в этой схеме элемент «наблюдения» не относится к ситуации, когда вы любуетесь окрестностями, крутя педали велосипеда. В квантовой космологии термин «наблюдение» воплощает фундаментальный квантовый акт, который я обсуждаю на всем протяжении этой главы: процесс, посредством которого в точках ветвления истории некий частный результат из диапазона возможных опций преобразуется в факт. Хотя такой процесс всегда включает в себя взаимодействие некоторого вида, он никоим образом не ограничивается наблюдениями, выполняемыми человеком, а порождаемые при этом факты не обязаны иметь что-либо общее с жизнью как таковой. Наблюдение может быть выполнено специально предназначенным для него приемником: котом Шрёдингера, куском кварца, нарушением симметрий в ранней Вселенной или даже единичным фотоном микроволнового фона.

Tриада, изображенная на рис. 43, подводит концептуальный итог разработанной Стивеном и мной новой космологии. В этом видении физическая реальность возникает в процессе, состоящем из двух шагов. На первом рассматриваются все возможные расширения историй Вселенной, каждая из которых зарождается, скажем, в лишенном границы начале. Истории разветвляются – причем каждое ветвление включает в себя игру случая, – производя в каждой ветви свои законы физики и, возможно, более высокие уровни сложности. Но этот непредставимый мир неопределенности и потенциальных возможностей описывает космос лишь в некотором состоянии предсуществования. На этом уровне не существует никаких предсказаний, здесь нет объединительных уравнений, нет глобального понятия времени, вообще ничего определенного – только спектр возможностей. Однако затем следует второй шаг – наблюдение, интерактивный процесс, который преобразует что-то из того, что может случиться, в то, что действительно случается.

Помните пустой дневник Тома Реддла из книг о Гарри Поттере? С космосом та же история. Область возможного содержит ответы на бесконечное множество разнообразных вопросов, но она говорит нам что-то о мире только, когда ее об этом спрашивают. В квантовой Вселенной – нашей Вселенной – осязаемая физическая реальность возникает из широкого горизонта возможностей посредством непрерывного процесса постановки вопросов и выполнения наблюдений.

Если говорить о будущем, то наблюдение есть обрезка ветвящегося дерева будущих путей развития; посредством наблюдения в опыте данного наблюдателя реализуется лишь один из них. Это направленное изнутри наружу эвереттовское описание ситуации квантового измерения, о котором я рассказывал. Но наблюдение обращено также и к прошлому. Когда Хокинг, как дельфийский оракул, произнес свое пророчество «история Вселенной зависит от вопроса, который вы ей задаете», я воспринял эти слова в буквальном смысле. Стивен по сути сказал, что вся совокупность фактов, которые характеризуют Вселенную вокруг нас, от свойств биосферы Земли до законов физики низких температур, составляют один грандиозный вопрос, заданный нами космосу. Идея нашей триады выражается в том, что этот великий вопрос ретроактивно вызывает к существованию немногие ветви космологической истории, которые обладают наблюдаемыми свойствами. Другими словами, наблюдение в квантовой космологии не просто ответ, найденный задним числом, или эффект антропной постселекции, действующий в гигантской предсуществовавшей мультивселенной, но фактор более глубокого уровня, неотъемлемая часть непрерывного процесса, посредством которого возникает физическая реальность – и, как мы утверждаем, физическая теория. В некотором смысле квантовая Вселенная и ее наблюдатели возникают и развиваются рука об руку, синхронно. Глубинный смысл философии, основанной на подходе «сверху вниз», подходе, который Стивен предвосхитил еще в 2002 году, – хотя у нас ушло намного больше времени на мысленные эксперименты, на поиски выхода из тупиков, на случайные моменты озарений, когда туман рассеивался, – заключается в том, что космологическая теория и феномен наблюдения связаны неразрывно.

Как я только что дал понять, эта связь приводит к тому, что в квантовой космологии появляется легкий ретроградный элемент: обратная направленность во времени. Мы не следим за развитием Вселенной снизу вверх – по ходу времени, – так как мы больше не считаем, что у Вселенной есть объективная, не зависящая от наблюдателя история с определенной стартовой точкой и эволюцией. Совсем наоборот. В нашу триаду заложена контринтуитивная идея, что в некотором фундаментальном смысле – о нем я еще расскажу подробнее – история на самом глубоком уровне разворачивается в направлении, обратном ходу времени. Все происходит так, как будто постоянный поток квантовых актов наблюдения ретроактивно определяет исход Большого взрыва, от растущего количества измерений до появляющихся видов сил и частиц. Это ставит прошлое в зависимость от настоящего, ведет к дальнейшему устранению причинности – далеко за пределы даже того, что мог себе представить Бор.

Мы, конечно, давно знакомы с таким ретроградным мышлением: оно встречается и в других областях, где происходит эволюция, – от биологической эволюции до человеческой истории. В главе 1 я кратко остановился на том, как история на всех уровнях формируется случайными исходами бесчисленных событий ветвления. Эти «замороженные случайности» и вносят ретроспективную составляющую в изучение истории – ведь огромное количество информации, которое в их совокупности содержится, просто отсутствует в законах более низкого уровня. Извлечь эту информацию можно только ex post facto, ретроспективно, из экспериментов и наблюдений.

ВСЯ СОВОКУПНОСТЬ ФАКТОВ, КОТОРЫЕ ХАРАКТЕРИЗУЮТ ВСЕЛЕННУЮ ВОКРУГ НАС, ОТ СВОЙСТВ БИОСФЕРЫ ЗЕМЛИ ДО ЗАКОНОВ ФИЗИКИ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУР, СОСТАВЛЯЮТ ОДИН ГРАНДИОЗНЫЙ ВОПРОС, ЗАДАННЫЙ НАМИ КОСМОСУ.

В главе 1 я вспоминал, как дарвиновская теория эволюции гениально объединяет причинные объяснения с ретроспективной логикой в единую согласованную схему. Возьму на себя смелость заявить, что подобным же образом используя подход «сверху вниз» в космологии, – он воплощен во взаимосвязанной триаде на рис. 43, – мы нашли «золотую середину» между космологическими «почему» и «как». И как мы скоро увидим, наша триединая схема предсказаний обладает достаточной общностью и гибкостью, чтобы справиться с более глубокими вопросами, относящимися к «загадке замысла».

Но при этом ретроактивный характер квантовой космологии гораздо глубже ретроспективного подхода эволюции биологической. Биологи не станут говорить о множественных древах жизни, сосуществующих в призрачной суперпозиции друг с другом, пока не найдут ископаемых доказательств, подтверждающих их реальность. Пока этого не произошло, они предполагают, и вполне справедливо, что мы с самого начала были и остаемся частью данного древа жизни и что мы просто не знаем, какого именно, пока не сведем воедино все эти доказательства. Это различие происходит из того факта, что в биологической эволюции мы спокойно можем игнорировать квантовый уровень. В дарвиновской эволюции в любой точке ветвления различные возможные эволюционные пути тут же расходятся в разных направлениях, так как взаимодействующая среда, в которой развивается жизнь, немедленно размывает любую квантовую интерференцию. Другими словами, среда непрерывно, шаг за шагом преобразует суперпозицию древ жизни в отчетливо отделенные друг от друга древа эволюции, одно из которых – наше. В самом деле, для того чтобы генная мутация, вызванная квантовым событием, подверглась декогеренции, требуется лишь доля секунды. Следовательно, наше древо жизни эволюционировало независимо от других возможных древ задолго до того, как биологи принялись исследовать ископаемые окаменелости, пытаясь реконструировать историю древа, к которому они принадлежат. Сама физическая среда уже выполнила более фундаментальное квантовое наблюдение. Я не хочу, конечно, сказать, что то, что мы узнали о древе жизни, не имеет никакого значения – ведь, в отличие от среды, биологи способны интерпретировать свои находки и, возможно, даже использовать это знание, чтобы повлиять на будущие ветвления.

В отличие от биологии, квантовая космология задается вопросом о происхождении самой физической среды. Она спускается до самых основ, на уровень квантового наблюдения. И не только это – она стремится сделать это и в далекой области Большого взрыва, где предметом наблюдения становится то, как возникли сами законы физики. Переплетением призрачного мира суперпозиций здесь пренебрегать нельзя – оно приобретает критическое значение. Оно поднимает значение логики, направленной навстречу ходу времени, от простого ретроспективного элемента исследования истории Вселенной до ретроактивного компонента, который творит эту историю.

Именно на этом более глубоком уровне становятся критически важными нити, связывающие друг с другом три составные части нашей триады, которая уводит нас далеко за пределы ортодоксальной физики.

В конце 1970-х годов Джон Уилер предложил остроумный мысленный эксперимент, который во многом прояснил природу этого присущего квантовой Вселенной любопытного элемента обратной причинности. Эксперимент Уилера продемонстрировал, как в обычной квантовой механике частиц акт наблюдения может неуловимо повлиять на прошлое – и даже на отдаленное прошлое.

Уилер, наставник Фейнмана и Эверетта, работал с Бором над проблемой ядерного распада; затем во время Второй мировой войны он участвовал в Манхэттенском проекте. В 1950-х в Принстонском университете Уилер вдохнул новую жизнь в изучение общей теории относительности. Он начал с того места, на котором остановился Эйнштейн. В то время общая теория относительности сделалась глухой провинцией физической науки: она была подкреплена всего одним точным количественным наблюдением – измерением смещения перигелия Меркурия, и двумя качественными аргументами – расширением Вселенной и отклонением луча света в поле тяготения. В целом ее часто рассматривали просто как раздел математики, при этом даже не очень интересный. Но, как говорил Уилер, теория относительности слишком важна, чтобы доверять ее математикам. Поэтому он взялся за ее возрождение. Он прочел в Принстоне первый курс теории относительности. Слушатели этого курса получили самую фантастическую привилегию из всех, которой когда-либо удостаивались студенты-физики: выездное занятие в виде визита к Альберту Эйнштейну в его дом на Мерсер-стрит, с чаепитием и обсуждением физических проблем.

Как и Стивен, Уилер, по всей видимости, отличался безграничным научным оптимизмом. Его творческое воображение и способность сосредотачивать внимание на самых важных вопросах физики вдохновили целые направления исследований на десятилетия вперед. Когда в 2008 году в возрасте 97 лет он скончался, в его некрологе, помещенном в New York Times, было процитировано высказывание Фримена Дайсона: «Поэтически Уилера можно уподобить пророку – он, как Моисей, озирает с горной вершины Обетованную землю, которую его народ однажды унаследует».

Рис. 44. Джон Уилер читает лекцию о различиях между классической и квантовой механикой. Принстон, 1967 г.

В своем мысленном эксперименте, который должен был прояснить роль наблюдения и причинности в квантовой теории, Уилер для простоты рассматривал не вселенные, а частицы. Сегодня эта схема известна под названием эксперимента с отложенным выбором; она представляет собой вариант эксперимента с двойной щелью. Опыт с двойной щелью, облучаемой частицами света, впервые выполнил английский ученый-энциклопедист Томас Юнг в XVIII веке. В современной версии этого эксперимента свет падает на две параллельные щели, прорезанные в препятствии, и затем попадает на установленную позади них фотопластинку. На пластинке образуется интерференционная картина из светлых и темных полос, так как расстояния, которые световые волны преодолевают от каждой щели до данной точки экрана, вообще говоря, различны. Квантовая природа света начинает проявляться, когда мы резко уменьшаем интенсивность источника света, превращая поток волн в скудный ручеек фотонов, испускаемых поодиночке. Так же, как и в эксперименте с электронами, который я описал в главе 3, приход каждой индивидуальной частицы – фотона – проявляется как крошечное пятно на фотопластинке. Но если мы некоторое время будем проводить этот опыт в условиях столь низкой интенсивности, то совокупность точек столкновений фотонов с экраном начнет образовывать интерференционную картину. Квантовая механика объясняет это, описывая каждый индивидуальный фотон как распространяющуюся волновую функцию, которая на щелях разделяется на части, а за щелями распространяется дальше и переплетается сама с собой, создавая картину высоких и низких вероятностей того, где каждый фотон будет попадать на пластинку.

Но если экспериментатор решит «сжульничать», поставив вблизи каждой щели по детектору с целью отследить, какой из путей – или оба вместе – выберут фотоны, тогда интерференционная картина больше появляться не будет. Вместо нее фотонные пятна в совокупности образуют на пластинке две яркие параллельные полосы, два совершенно раздельных классических следа – напротив одной и другой щели. Это происходит потому, что приемники действуют, как и облачка частиц вблизи каждой щели на рис. 42, – они выполняют акт наблюдения, который заставляет волновые участки, выходящие из обеих щелей, разделяться. Спрашивая у фотонов, через какую из щелей они собираются проскользнуть, детекторы вынуждают волновые функции фотонов проявить корпускулярную природу света.

Уилер, однако, придумал остроумный вариант эксперимента Юнга, в котором детекторы размещены не вблизи щелей, а подальше – вблизи фотопластинки (см. рис. 45). По сути, он представил себе, что пластинка заменена на жалюзи и пара детекторов размещена позади них, причем каждый приемник направлен на одну из щелей. Если мы закроем жалюзи, эксперимент даст то же, что и прежде: волновые функции фрагментов фотона-волны переплетаются и образуют интерференционную картину. Но если мы откроем створки жалюзи, фотоны пройдут сквозь них и детекторы помогут нам определить, через какую щель они прошли. Таким образом, для каждого отдельного фотона экспериментатор сможет решить, в каком режиме проводить эксперимент – другими словами, какой вопрос задавать, и значит, выявлять ли корпускулярную или волновую природу частиц света.

Замечательная догадка Уилера заключалась в том, что мы можем отложить наш выбор – открывать створки жалюзи или оставить их закрытыми – до самого момента, когда фотон достигнет пластинки. Создается поистине загадочная ситуация. Откуда фотон, уже прибывший к преграде, знает, вести ему себя как волна и распространяться по обоим путям или как частица и распространяться лишь по одному из них, в зависимости от будущего выбора экспериментатора? Очевидно, что фотоны не могут знать заранее, откроет экспериментатор жалюзи или закроет. С другой стороны, они не могут и отложить свое решение: быть ли им волной или частицей. Ведь если фотону надо приготовиться к возможности, что жалюзи будут закрыты, его волновая функция разделится при столкновении с преградой так, что комбинация обоих фрагментов волны сможет образовать наблюдаемую интерференционную картину. Это, однако, рискованно – ведь если жалюзи окажутся в конце концов открытыми, потому что экспериментатор в последний момент решил, что он хочет знать, по какому пути пошел фотон, то у волнообразного интерферирующего фотона появятся трудности.

Рис. 45. Вариант опыта Юнга с двойной щелью и частицами света. Вместо фотопластинки в правой части рисунка установлены жалюзи, а позади них – пара детекторов, каждый из которых направлен на одну из щелей. Экспериментатор, управляющий детекторами, может отложить свое решение – оставить створки жалюзи закрытыми и тем самым выполнить опыт Юнга в его исходной постановке, в которой получается интерференционная картина, или открыть створки и тем самым определить, через какую щель фотон прошел – до того момента, когда каждый индивидуальный фотон достигнет створок жалюзи. Мы могли бы подумать, что такой отложенный выбор будет сбивать фотоны с толку. Ничего подобного: природу обмануть не удается. Фотоны всегда «угадывают» выбор экспериментатора, демонстрируя тем самым, что акт наблюдения в квантовой теории неуловимо влияет на прошлое.

Мысленный эксперимент Уилера позже был осуществлен. В 1984 году квантовые физики-экспериментаторы в Мэрилендском университете установили перед экраном высокотехнологичные жалюзи: сверхбыстрый электронный затвор, при помощи которого можно было выбирать между двумя режимами наблюдений. Опыт подтвердил идею Уилера: фотоны, которые попадали в створки жалюзи, образовывали интерференционную картину, а те, что проходили насквозь, – нет. Каким-то образом фотоны всегда вели себя так, даже если выбор между тем, включать отслеживающий путь фотона детектор или нет, откладывался до момента, когда данный фотон уже оказывался за препятствием.

Как же так? Дело в том, что ненаблюдаемое прошлое в квантовой механике существует только как спектр возможностей – волновая функция. Так же, как электроны или частицы, образующиеся при радиоактивном распаде, призрачные волновые функции фотонов приобретают определенную реальность, только когда будущее, которое они порождают, уже вполне установилось – то есть стало наблюдаемым. Эксперимент с отложенным выбором – живая и поразительная иллюстрация того, что процесс наблюдения в квантовой механике вводит в физику некую тонкую форму телеологии, компонент с обратным направлением времени. Эксперименты и наблюдения, которые мы проводим сегодня – те самые вопросы, что мы задаем Природе, – ретроактивно преобразуют то, что могло случиться, в то, что действительно случилось, и таким образом участвуют в определении того, что можно сказать о прошлом.

Уилер, вечный оптимист, придумал даже крупномасштабную версию своего эксперимента с отложенным выбором (см. рис. 46). Он представил, что свет от далекого квазара отклоняется массой находящейся ближе к нам галактики и в результате устремляется к Земле. Многочисленные примеры таких гравитационных линз уже наблюдались и постоянно используются астрономами для того, чтобы узнать больше о количестве темной материи и темной энергии во Вселенной. Отклонение лучей света означает, что фотоны, летящие от квазара, могут достичь Земли по многим путям, обходя лежащую на их пути галактику с разных сторон. Эта ситуация очень напоминает то, что происходит в опыте с двумя щелями – или большим их количеством. Если бы астрономы могли выполнить эксперимент с отложенным выбором в этом космическом варианте, размышлял Уилер, они могли бы воздействовать на прошлое, отстоящее от нас на миллиарды лет, на эпоху, когда Солнечной системы еще не было и в помине. «Мы с неизбежностью вовлечены в возникновение того, что происходит на наших глазах», – писал Уилер[167].

Рис. 56. Вариант эксперимента с отложенным выбором в космическом масштабе. Галактика, играющая роль гравитационной линзы, изгибает свет от далекого квазара, создавая несколько световых путей, ведущих к Земле. Эта ситуация воспроизводит схему эксперимента с двойной – или даже тройной – щелью.

«Мы не только зрители.

Мы – участники.

В некотором странном смысле это коллективная Вселенная».

Тогда-то он и сделал замечательный набросок (см. рис. 47), который изображает эволюцию Вселенной в виде U-образного объекта. Глаз на одной из ветвей буквы U смотрит на другую ветвь – свое прошлое. Рисунок поясняет, что в квантовой Вселенной наблюдения, выполненные сегодня, вносят нечто в осязаемую реальность Вселенной «тому назад»[168].

Рис. 47. Уилер мыслил квантовую Вселенную как что-то вроде самовозбуждающейся цепи. Начавшись с малого (правый верхний угол), Вселенная со временем растет и в конце концов порождает наблюдателей, чьи акты наблюдений передают нечто ощутимой реальности прошлого – возможно, даже отдаленного прошлого, в котором никаких наблюдателей еще не существует.

«Коллективная Вселенная» Уилера, историю которой творят ее обитатели, казалась в то время надуманной фантазией. Но через сорок лет этой идее суждено было стать центральным пунктом нашей нисходящей космологии, космологии, основанной на взгляде «сверху вниз». К пониманию Уилером роли наблюдателя Хокинг отнесся серьезно – очень серьезно! – и приложил эту идею не только к ретроактивному определению путей квантовых частиц, но и ко всей Вселенной в целом.

Триада на рис. 43 в рамках новой космологии объединяет наблюдение с динамикой и начальными условиями. Такой синтез – не просто незначительное дополнение, малая поправка в уравнении, – это фундаментальное обобщение самой сути физики. Унифицируя динамику и граничные условия, наша триада порывает с дуализмом, доминировавшим в новой физике со времени ее появления. А включая в эту картину и наблюдение, она снимает проблему «взгляда ниоткуда».

Но вот чего ракурс «сверху вниз» в квантовой космологии не предполагает – это что мы можем посылать сигналы назад в прошлое. Наблюдение действительно укрепляет прошлое как реально существующее, но никакой информации в прошлое при этом не передается. В уилеровской космической версии эксперимента с отложенным выбором включение или выключение наших телескопов в XXI веке не влияет на движение фотонов миллиарды лет назад. Квантовая космология не отрицает того, что происходило в прошлом, – она уточняет, что означает «происходить» и, в частности, что вообще можно, а чего нельзя сказать о прошлом.

Уилер очень любил иллюстрировать свои взгляды вариантом игры в «двадцать вопросов». В этой игре группа коллег после ужина усаживается в гостиной, и одного отправляют за дверь. В его отсутствие остальные решают сыграть в эту игру, но с одним изменением: они договариваются не задумывать определенного слова, но действовать так, как будто они какое-то слово сообща задумали. Когда игрок, которому предстоит отгадывать слово, возвращается в комнату и начинает задавать свои вопросы – а они предполагают только ответы «да» или «нет», – каждый отвечающий отвечает, как ему заблагорассудится, но только с условием, чтобы его ответ согласовывался со всеми предыдущими. Таким образом, на каждой стадии игры каждый играющий подразумевает некоторое слово, которое находится в соответствии со всеми уже данными ответами. Естественно, с каждым следующим вопросом количество возможных опций быстро сужается, пока и спрашивающий, и отвечающие не подводят друг друга к одному-единственному возможному слову. Однако каким именно будет это последнее слово, зависит от вопросов, которые задает отгадчик, и даже от порядка, в котором он их задает. По словам Уилера, в этой версии игры «ни одно слово не является словом, пока оно не вводится в реальность выбором заданных вопросов и данных на эти вопросы ответов»[169]. Подобным же образом квантовая Вселенная постоянно, по кирпичикам, собирает сама себя из тумана возможностей – что-то вроде леса, выступающего из густой дымки сырым туманным утром. Ее история – не то, что мы обычно понимаем под этим словом, не последовательность событий, происходящих одно за другим; это скорее некий грандиозный синтез, в который входим мы сами и в котором то, что происходит сейчас, ретроактивно формирует то, что было прежде. Этот нисходящий элемент наделяет наблюдателей в квантовом смысле неуловимой творческой ролью в космических процессах. И это придает космологии тончайший субъективный оттенок. Мы – посредством нашей наблюдательской деятельности – почти буквально оказываемся вовлеченными в создание космической истории.

«Нет вопроса – нет ответа» – говорил Уилер о квантовых частицах. «Нет вопроса – нет и истории!» – сказал Хокинг о квантовой Вселенной.

Вторая стадия развития «нисходящей космологии» – этот термин у Стивена прочно вошел в употребление[170] – продолжалась с 2006 по 2012 год. В этот период Хокинг пришел к глубокому интуитивному убеждению, что, рассматривая наблюдателей как агентов, интегрированных в рамки процесса предсказания, мы наконец оказываемся на пути к созданию космологической теории, способной пролить свет на «загадку замысла» Вселенной. Если бы только мы могли понять, что именно пытается сказать нам эта триада…

Не забудем, что стратегия «снизу вверх» в разгадке биофильной природы Вселенной выглядит так: начнем с кусочка пространства в начале времен; применим вечные и объективные законы (метазаконы) физики; посмотрим, как развивается Вселенная (мультивселенная); и будем надеяться, что из нее получится что-то вроде той Вселенной, в которой мы живем. В физике это ортодоксальный путь рассуждений, знакомый нам на множестве примеров, от лабораторных экспериментов до классической космологии. Логика такого рода ищет для предрасположенности Вселенной к жизни фундаментальное причинное объяснение, основанное на некоторых имеющих вид законов абсолютных принципах.

Первая направленная «снизу вверх» попытка разгадать «загадку замысла» заключалась в том, чтобы найти в основах существования некую глубокую математическую истину. Второе направление атаки – космология мультивселенной, тоже исходило из вневременных метазаконов, дополненных антропным отбором обитаемой островной вселенной.

Но «нисходящая космология» переворачивает загадку замысла вверх дном. Начнем с того, что она смешивает те же ингредиенты в совершенно другом порядке. Рецепт, который мы извлекаем из нашей триады, выглядит скорее так: посмотрите вокруг; отождествите в данных ваших наблюдений столько законоподобных структур, сколько сможете; используйте их для построения историй Вселенной, заканчивающихся той ее формой, которую вы наблюдаете; сложите все эти истории и создайте из них ваше прошлое. Таким образом, вместо фона из абсолютных принципов, нисходящая космология ставит во главу угла историческую природу всего сущего. Эта теория в конечном счете выводит присущую Вселенной благосклонность к жизни из того факта, что глубоко на квантовом уровне осязаемая Вселенная и феномен наблюдения взаимосвязаны. Антропный принцип в нисходящей космологии оказывается совершенно лишним, потому что в самой своей основе она отрицает характерное для мышления «снизу вверх» представление о пропасти, разделяющей наши теории Вселенной и взгляд на нее изнутри, «с позиции червя». В этом и состоит практическое значение нисходящей космологии и ощущавшийся в ней Стивеном революционный потенциал.

Создав нашу триаду, мы не могли с ней расстаться ни на один день. По утрам Стивен часто спрашивал меня, как бы шутя: «Ну, что будем делать с нашим „сверху вниз“ сегодня?»

Чтобы добраться до сердцевины ранней квантовой фазы Вселенной, в нашем попятном движении во времени мы должны пробиться сквозь множество уровней сложности, которые отделяют нас от ее начала. Это можно сделать, прослеживая эволюцию Вселенной назад во времени. Сначала мы расстаемся с человеческим и многоклеточным уровнями жизни и с несколькими имеющими вид законов правилами, которым эти уровни подчиняются. Затем мы теряем из виду простейшую жизнь, а в конце концов и лежащие ниже нее геологический, астрофизический и даже химический уровни. Наконец, мы достигаем эры горячего Большого взрыва, где эволюционный характер физических законов выходит на первый план. Именно в эту область Стивен и намеревался войти.

«Давайте продлим поверхность наблюдений как можно ближе к самому концу инфляции, – сказал он, – спустя какую-то долю секунды после начала расширения. И оттуда оглянемся назад».

Вооруженный для взгляда «сверху вниз» своей триадой, будто теоретическим микроскопом, достаточно мощным, чтобы разглядеть все детали самого низкого уровня истории Вселенной, Стивен собирал силы для самого дерзкого из когда-либо предлагавшихся мысленных экспериментов. Имея в запасе множество возможных путей развития, квантовая космология в некотором смысле распаковывает классическую сингулярность Большого взрыва – и на ее месте возникает перехватывающий дыхание новый, еще более глубокий уровень эволюции. Мы уносимся внутрь Большого взрыва. На этом уровне мы различаем то, что можно назвать метаэволюцией, – стадию, на которой знакомые законы эволюции сами эволюционируют. Как я писал в главе 5, следующий за этим дарвиновский ветвящийся процесс изменения и отбора можно понять только ретроспективно. Этот поистине древнейший уровень эволюции должен рассматриваться только «сверху вниз» – глядя назад во времени.

Возьмем число макроскопических измерений пространства. Согласно теории струн, область возможных значений содержит космологические истории со всеми количествами макроскопических измерений, от 0 до 10. Не найдено никаких предварительных оснований для того, чтобы установилось именно три измерения, а остальных бы не существовало. Философия «снизу вверх», таким образом, не может объяснить, почему у нашей Вселенной должно быть три макроскопических измерения. А нисходящий подход говорит нам, что это неверно поставленный вопрос. Нисходящая космология постулирует, что «наблюдение», выполненное первичной средой на самых ранних стадиях расширения Вселенной и заключающееся в том, что три измерения «вырвались на свободу» и начали расширяться, – это наблюдение отбирает из множества возможных именно те несколько историй, в которых макроизмерений оказывается три. Распределение вероятности числа измерений не имеет при этом никакого значения, так как «мы» уже убедились посредством измерения, что живем во Вселенной с тремя макроскопическими измерениями пространства. Обращаться к такой вероятности было бы все равно, что спрашивать о вероятности данного древа жизни по сравнению с вероятностями совершенно других деревьев, в том числе и тех, в которых нет ветви Homo sapiens, – и смысла не имеет, и подсчитать невозможно. Поскольку область возможных историй расширения содержит вселенные, в которых расширение происходит в трех измерениях, то не имеет значения, насколько такие истории редки по сравнению с теми, где реализуется любое другое число измерений. Больше того, не имеет значения, только ли при трех измерениях возможна жизнь. Избавляясь от антропного принципа как от ненужного, нисходящая космология рассматривает биофильные свойства Вселенной наравне со всеми другими ее свойствами[171].

То же самое относится и к Стандартной модели физики частиц. Согласно теории струн и моделям Великого объединения Стандартная модель с ее двадцатью с чем-то с виду тонко настроенными параметрами далеко не является уникальным исходом последовательности нарушающих симметрию переходов в эпоху горячего Большого взрыва. На деле все больше фактов свидетельствуют, что эволюционные пути, заканчивающиеся Стандартной моделью, в рамках теории струн крайне редки – как и древо жизни на Земле предполагается исключительно редким случаем среди всех возможных деревьев. Следовательно, и в этом случае причинный подход «снизу вверх» неспособен объяснить, почему во Вселенной должна реализовываться Стандартная модель. Парадигма «сверху вниз» подходит к этому вопросу совершенно иначе. В ее перспективе наблюдения, «выполненные» в ранней Вселенной, – их исходы закодированы в «замороженных случайностях», создавших действующие законы, – вырезают из широкого спектра всех возможных космологических историй те истории, которые совместимы со Стандартной моделью.

Но, возможно, самым поразительным образом применение подхода «сверху вниз» к космогенезу проявляется в отношении силы всплеска первичной инфляции. Вспомним, что гипотеза об отсутствии границы, пример теоретического подхода «снизу вверх», предсказывала абсолютный минимум количества инфляции, едва достаточный для существования Вселенной. Самые значительные ветви волновой функции, соответствующей условию отсутствия границы, – это почти пустые вселенные, возникающие при легчайшем дуновении инфляции (см. рис. 31). То есть, если мы на минуту проигнорируем тот факт, что мы – разумные существа, сделанные из атомов и движущиеся в пространстве-времени, встанем на «точку зрения Бога» и взглянем на форму такой волновой функции, как будто мы не составляем ее части, – мы обнаружим, что не должны существовать. Такое положение дел было для Стивена самой большой проблемой космологии на протяжении более двух десятилетий. Гипотеза об отсутствии границы казалась ему правильной – и даже очень удачной, – и все-таки она оказалась неверной.

А теперь пойдем сверху вниз. В «перспективе червяка» логика нисходящей космологии направлена изнутри вовне и против хода времени. И что происходит в итоге? Форма волны, лишенной границы, резко меняется. Подход «сверху вниз» отодвигает части волны, соответствующие пустым вселенным, в «хвост» волновой функции, на ее периферию, и усиливает вселенные, рожденные с сильным всплеском инфляции. Я иллюстрирую это на рис. 48. Его сравнение с рис. 31 – взгляд «снизу-вверх» на волну при условии отсутствия границы – показывает, что в нисходящей космологии ветви, составляющие волновую функцию, в буквальном смысле полностью перегруппировываются. Далее, так как высоты волновых фрагментов определяют их относительное правдоподобие, выходит, что нисходящая космология воспроизводит прошлое так: наша Вселенная началась с мощного всплеска инфляции, что вполне согласуется со всеми нашими наблюдениями[172]. Неудивительно, что Стивен был очень доволен тем, как все это выходит. «Наконец-то», – сказал он мне. И добавил, как будто я не понял, о чем он: «Мне всегда очень нравилось предложение об отсутствии границы».

Рис. 48. Форма волны при условии отсутствия границы в нисходящей перспективе. Если смотреть сверху вниз, гипотеза об отсутствии границы делает обратное предсказание о том, что наша Вселенная обрела существование с мощным всплеском инфляции, породившим паутину галактик, в полном соответствии с нашими наблюдениями. Почти пустые вселенные, которые доминировали в волне в восходящей перспективе (см. рис. 31), удаляются на периферию.

• • •

Этот примечательный возврат к судьбам гипотезы об отсутствии границы живо иллюстрирует все ту же истину квантовой космологии: в конечном счете прошлое Вселенной обусловлено ее сегодняшним днем. Какова же тогда роль теории происхождения Вселенной – ведь мы все равно рассматриваем Вселенную сверху вниз? В некотором смысле гипотеза об отсутствии границы в космологии – то же самое, что LUCA, последний универсальный общий предок в биологической теории эволюции. Ясно, что биохимический состав LUCA не определяет древа жизни, которое из него вырастет. Но с другой стороны, без LUCA никакого древа жизни не могло бы быть. Подобным же образом происхождение при условии отсутствия границы критически важно для существования Вселенной, но из него нельзя предсказать конкретного древа физических законов, которое возникнет из столь простого начала[173]. Подробное понимание генеалогии космоса и его законов может быть получено только из наблюдений в ракурсе «сверху вниз».

Другими словами, модели происхождения Вселенной – критически важный источник предсказательной силы на самом фундаментальном уровне. В ракурсе «сверху вниз» чашеобразные начальные области, изображенные на рис. 48, функционируют как ключевые опорные точки для бесчисленных возможных путей развития, расходящихся в наше прошлое. Квантовая космология без теории начала Вселенной была бы тем же, что CERN без ускоренных частиц, химия без Периодической таблицы элементов или древо жизни без ствола. Невозможны были бы какие бы то ни было предсказания. Любая древоподобная структура, ветви которой переплелись в ходе эволюции, покоится на идее общего происхождения и моделирование этой начальной точки составляет ключевую часть любого научного описания такого древа. В одинаковой мере это относится и к древу жизни, и к древу законов. Рискну сказать, что без представления о реальном начале Вселенной в космологии невозможна какая-либо истинно дарвинианская революция. И конечно, именно отсутствие вразумительной теории начальных условий, скажем, в космологии мультивселенной вполне может быть фундаментальной причиной того, что эта теория неспособна ничего предсказать.

Тем не менее вы могли бы задуматься, что мы надеемся выиграть, используя наш массив космологических наблюдений для того, чтобы вылепить из них прошлое, если это прошлое с очевидностью должно опять привести нас к тому, что мы наблюдаeм. Если нисходящая космология не ищет причинного объяснения тому, что Вселенная и действующие в ней законы таковы, каковы они есть, если эта космология не предсказывает, что Вселенная должна была двинуться по тому пути, по которому она двинулась, то в чем, собственно, польза от такой космологии?

Как и в случае дарвиновской теории эволюции, практическая целесообразность нисходящей космологической теории заключена в ее способности раскрывать взаимосвязанность космоса: находить новые корреляции между тем, что поначалу кажется независимыми свойствами Вселенной. Подумайте, к примеру, о температурных вариациях CMB-излучения. Их статистические особенности почти идеально согласуются с параметрами флюктуаций, генерируемых во вселенных с мощным инфляционным всплеском. Если рассуждать «сверху вниз», такие вселенные, несомненно, наиболее вероятны. Следовательно, нисходящая теория предсказывает сильную корреляцию между наблюдаемыми вариациями CMB и другими данными, предполагающими сильную вспышку первичной инфляции. Посредством такого рода корреляций, посредством предсказания корреляций между текущими и будущими данными нисходящая космология приобретает огромный потенциал для выявления скрытой взаимосогласованности, закодированной во Вселенной. Вот почему эта теория работает значительно лучше, чем теория мультивселенной с ее парадоксальной потерей предсказательной силы[174]. Картина физической реальности в нисходящей Вселенной тоже радикально отличается от картины мультивселенной. Мультивселенная – гигантское раздувающееся пространство, заполненное бесчисленными пузырями островных вселенных. Это пространство лежит «где-то снаружи» (см. рис. 7 на вклейке): космическая лоскутная мозаика существует безотносительно к тому, в каких из островных вселенных имеется жизнь или какие из них наблюдаются. Наблюдатели вместе со своими наблюдениями протискиваются в теорию как эффект постселекции, никак не влияя на крупномасштабную структуру космоса.

В квантовой Вселенной Стивена, наоборот, наблюдения находятся в центре действия. Нисходящая триада восстанавливает тонкую ниточку, которая связывает наблюдателя и наблюдаемое. В нисходящей космологии любой вид осязаемого прошлого – это всегда прошлое наблюдателя. Квантовая космология представляет наблюдение будто оперативный штаб в неизмеримой области всего, что могло бы быть. Я попытался изобразить это «мировоззрение» на рис. 49 при помощи еще одной ветвящейся древовидной структуры. Мы действуем и наблюдаем (в квантовом смысле) и в процессе этого продолжаем вытягивать корни этого древа, которые извлекают из прошлого его возможные варианты, а также отбираем несколько ветвей, очерчивающих возможные варианты будущего. Тот факт, что все корни на рис. 49 присоединены к нашей наблюдательной ситуации – включая то, что нам известно о действующих законах, – значит, что сложность изображенной древовидной структуры бледнеет в сравнении со сложностью мультивселенной. Огромное большинство островных вселенных не имеет ни малейшего сходства со Вселенной, которую мы наблюдаем. Поэтому соответствующие им корни не появляются на нашем квантовом древе. Эти островные вселенные исчезли, потерялись в океане неопределенности.

Рис. 49. Квантовая Вселенная. Сегодняшние наблюдения способствуют как дальнейшему прорастанию корней вглубь возможного прошлого, так и очерчиванию контуров ветвей возможного будущего в огромной области «того, что могло бы быть».

Я должен, однако, на всякий случай подчеркнуть: нисходящая космология остается гипотезой. Наше положение похоже на то, в котором находился Дарвин в XIX веке, – данные, которыми мы располагаем, слишком отрывочны и скудны, чтобы по ним можно было во всех подробностях восстановить образование древа законов в ходе горячего Большого взрыва. Ископаемые свидетельства, относящиеся к той далекой эпохе, остаются фрагментарными. Взять хоть темную материю или темную энергию, которые в сумме составляют 95 % содержимого Вселенной. Каким был каскад нарушающих симметрию переходов, породивший силы и частицы темной Вселенной? Только время расскажет нам об этом.

При столь ограниченных данных среди моих коллег-космологов еще остаются «упертые предарвинисты», твердые приверженцы подхода «снизу-вверх». Они настаивают на том, что задача космологии – найти истинное причинное объяснение кажущегося таким продуманным устройства Вселенной. В их философии вероятности и историческим случайностям – не говоря уж о феномене наблюдения – отводится очень скромная роль. Они исходят из того, что так или иначе Вселенная должна была развиваться именно так, как она развивалась – на основе четких и вечных принципов. Нисходящая философия бросает вызов этой предпосылке: она в корне отлична по своей онтологической сути, в ней случай и необходимость – замороженные случайности и структуры, имеющие вид законов, – рассматриваются на равных. И мы предсказываем, что будущие наблюдения выявят в истории космоса еще множество случайных изгибов и поворотов.

И все же, когда я оглядываюсь на долгую дорогу к нисходящей космологии, мне становится ясно, что мы не так уж сильно были захвачены философскими соображениями. Да и как это было возможно – ведь с нами был Стивен! Гораздо вернее сказать, что мы искали более глубокого научного понимания. Нас вело желание решить парадоксы мультивселенной и разгадать «загадку замысла» Вселенной. По сути, после того, как Джим и Стивен в 1983 году выдвинули свою гипотезу об отсутствии границы, их пути разошлись. Стивен считал, что мы понимаем квантовую механику достаточно хорошо, и не видел больше нужды копаться в ее основаниях. «Когда я слышу о “коте Шрёдингера”, я хватаюсь за пистолет», – сказал он как-то. Он продолжал пытаться подвергнуть проверке свою идею об отсутствии границы. А вот Джим не был уверен, что мы действительно достаточно хорошо понимаем квантовую механику, и он отвернулся от квантовой космологии. Работая с ныне покойным Мюрреем Гелл-Манном, выдающимся энциклопедистом, который в 1964 году постулировал существование кварков, Джим продолжал совершенствовать квантовые идеи Эверетта в применении к частицам и материальным полям. Их основополагающая работа в сочетании с трудами многих других физиков[175] в конечном счете привела к новой развернутой формулировке квантовой теории, известной как квантовая механика декогерентных историй. Эта формулировка прояснила физическую природу процесса ветвления в схеме Эверетта и, что принципиально важно, полностью уложила в свою концептуальную схему феномен наблюдения[176]. В 2006 году я понял: чтобы квантовая космология могла полностью реализовать свой потенциал, идеи Джима и Стивена следует слить в одно целое. Я снова свел их вместе. И именно этот удачный шаг ознаменовал наступление второй стадии развития нашего подхода «сверху вниз».

Однако, по правде говоря, я думаю, что наша нисходящая триада в общих чертах соответствует тому, как Леметр и Дирак, поэты и пионеры квантовой космологии, когда-то представляли себе ее будущее развитие. В 1958 году на Одиннадцатом Сольвеевском конгрессе, темой которого была «Структура и эволюция Вселенной», Леметр прочел обзорный доклад о состоянии гипотезы «первичного атома»[177]. Отметив, что «расщепление этого атома могло произойти множеством различных способов» (эвереттовское ветвление!) и что «было бы не очень интересно вычислять их относительные вероятности» (в мире нет ничего типичного!), он продолжал: «Никакой дедуктивной космологии не может появиться, прежде чем это расщепление пойдет настолько далеко, чтобы достичь практического макроскопического детерминизма». Другими словами, наша расширяющаяся ветвь Вселенной должна подвергнуться декогеренции, чтобы подход «снизу-вверх» был жизнеспособен. Свой доклад Леметр заключил загадочным замечанием: «Любая информация о состоянии материи в этот момент [сразу после расщепления первичного атома] должна быть выведена из условия, что реальная существующая Вселенная смогла развиться из этого состояния». И это был первый намек на нисходящую точку зрения.

При всем при том, за исключением немногих загадочных замечаний, наиболее ощутимые основания нисходящей космологии восходят к пророческим мысленным экспериментам Уилера и к его видению «Вселенной, создаваемой ее обитателями».

В своем недавнем посвящении Уилеру[178] Кип Торн вспоминает, как в 1971 году обедал с ним и Фейнманом в закусочной Burger Continental недалеко от Калтеха, куда во время своего пребывания в Калтехе любил заглядывать и Стивен.

«Наслаждаясь армянской едой, Уилер рассказывал нам о своей идее изменчивости законов физики. “Эти законы должны были когда-то возникнуть… Но какие принципы определяют, какие законы возникают в нашей Вселенной?” – спрашивал он. Фейнман, который в 1940-х был студентом Уилера, повернулся к Торну, студенту Уилера в 1960-х, и сказал: “Этот чувак несет что-то несусветное. Ваше поколение еще не знает, что он и всегда нес что-то несусветное. Но, знаешь, когда я был его студентом, я обнаружил, что, если взять любую из его несусветных идей и начать снимать с нее слои околесицы один за другим, как будто снимаешь шелуху с луковицы, в сердцевине этой идеи часто находишь могучее зерно истины”».

Когда Стивен и я взялись за разработку нашего космологического подхода «сверху вниз», я не знал об идеях Уилера, хотя подозреваю, что Стивену они были известны, по крайней мере в общих чертах. Задним числом мы понимали, что довольно хорошо очищаем уилеровские идеи от шелухи, преобразуя его грандиозные интуитивные находки в строгие научные гипотезы.

• • •

Мы заехали в кембриджский колледж Гонвилл-энд-Киз, где Стивен тоже преподавал и членом которого оставался всю жизнь. Был четверг, а значит, общий обед, после которого профессора устраивают причудливые ритуалы, угощаясь сыром и портвейном в отделанном стенными панелями зале – Комбинейшн Рум. И вот уже вокруг длинного дубового стола разносят по часовой стрелке портвейн, потрескивают дрова в камине, а мы болтаем о Великом шелковом пути. Стивен вспоминал о своем путешествии в Иран летом 1962 года: он посетил Исфаган и Персеполис, столицу древних персидских царей, и пересек пустыню, добравшись до Мешхеда на востоке страны. «Меня там застигло Казвинское землетрясение (сильное – 7,1 по шкале Рихтера, во время которого погибли более двенадцати тысяч человек), – рассказывал он. – В Буин Захра, когда я ехал в автобусе из Тегерана в Тавриз, уже на обратном пути к дому. Но я все равно хотел бы туда вернуться, – добавил он. – Для научного сотрудничества границ быть не должно».

Когда остальные члены колледжа уже разошлись отдыхать по своим комнатам, а медсестра, наблюдавшая за Стивеном, принялась и нас уговаривать ехать домой, Стивен, несмотря на поздний час, вдруг ввязался в спор. Меня это не удивило. Он немного поколдовал над настройками своего «Эквалайзера» и принялся говорить, а я обошел вокруг стола и сел рядом с ним.

«В “Краткой истории…” я писал…»

– …что мы всего лишь химический налет на поверхности среднего размера планеты, обращающейся вокруг ничем не примечательной звезды в обычной галактике, – закончил я его мысль:

Брови моего собеседника взметнулись вверх в знак согласия.

«Но это был прежний Хокинг, он смотрел “снизу вверх”, – появилось на экране. – С точки зрения Бога, мы вовсе не малозначащее пятнышко».

Стивена поднял на меня глаза, и мне подумалось, что он прикидывает, какое расстояние преодолел со времен «Краткой истории». «Вот оно, – пронеслось вдруг у меня в мозгу, – его прощание с мировоззрением, в которое он столько вложил».

– Пора сменить точку зрения на мир? – попытался я откликнуться на его мысли.

Послышался звон часов на башне колледжа. Стивен еще колебался, и я решил не пытаться угадать, что он скажет. Если он вообще заговорит.

Наконец его экран осветился, и вновь послышалось кликанье – на этот раз медленное.

«Своим [подходом] “сверху вниз” мы вновь поставили человечество в центр [космологической теории], – написал он. – И что интересно, именно это передает нам управление».

– В квантовой Вселенной мы включили свет, – добавил я.

Стивен улыбнулся, заметно довольный тем, что на горизонте замаячила новая космологическая парадигма.

«Какой поворот», – подумал я. Мы начали с попыток найти более глубокое объяснение приспособленности Вселенной для жизни в физических условиях в момент рождения времени. Но квантовая космология, которую мы для этой цели разработали, показывает, что мы смотрели не в ту сторону. Нисходящая космология показывает, что, как и биологическое древо жизни, древо физических законов есть результат эволюции дарвиновского типа – ее можно понять, только двигаясь вспять во времени. Поздний Хокинг утверждал, что, если добраться до самого дна этого колодца времени, дело оказывается не в том, «почему» мир таков, каков он есть – почему такова его фундаментальная природа, диктуемая некой трансцендентальной причиной, – но в том, «как» мы оказались там, где мы находимся. Наблюдение о том, что наша Вселенная как раз «самое то» для жизни, и есть отправная точка для всего остального. Связывая воедино не только гравитацию и квантовую механику – большое и малое, – но также и динамику с граничными условиями, и человеческий «взгляд с позиции червя» на космос, нисходящая триада предлагает нам замечательный синтез, который наконец-то отрывает космологию от архимедовой точки.

– Нам правда надо идти, – настаивала медсестра Стивена. Пересекая внутренний двор в направлении ворот колледжа на Тринити-стрит, Стивен вспомнил, что взял нам на завтрашний вечер билеты на вагнеровскую «Гибель богов» в Королевской опере. Он спросил, смогу ли я поехать с ним в Лондон, «чтобы отметить конец его битвы с Богом».

Хокинг уже никогда не вернулся к прежней космологической философии «снизу вверх». Что-то хрустнуло в нем в тот день, когда я, вернувшись из Афганистана, вошел в его кабинет. Много лет спустя, перефразируя слова Эйнштейна о его космологической постоянной, Стивен сказал мне, что глядеть на его космогенезис при условии отсутствия границы с причинной точки зрения, «снизу вверх», тоже было его «величайшей ошибкой». Оборачиваясь назад, мы видим, что и Эйнштейна, и Стивена их собственные теории захватили врасплох. Фиксация на старой идее статической Вселенной не позволила Эйнштейну в 1917 году осознать всеобъемлющие следствия, вытекающие из его классической теории относительности. Подобным же образом глубоко укоренившийся в Стивене причинный подход к вопросу о происхождении времени ослеплял его и не давал увидеть новую перспективу, которую открывала его полуклассическая гипотеза об отсутствии границы.

Развитие нисходящей космологии составило самую плодотворную и интенсивную фазу нашего сотрудничества. На работе или в пабе, в аэропорту или у ночного костра философия «сверху вниз» была неисчерпаемым источником радости и вдохновения. В «Краткой истории времени» ранний (еще придерживавшийся подхода «снизу вверх») Хокинг написал знаменитую фразу: «Даже если мы и вправду найдем теорию всего, это будет всего лишь система правил и уравнений. Что же вдыхает пламя в уравнения?» Ответ позднего (смотрящего «сверху вниз») Хокинга был: наблюдатель и наблюдение.

НИСХОДЯЩАЯ КОСМОЛОГИЯ ПОКАЗЫВАЕТ, ЧТО, КАК И БИОЛОГИЧЕСКОЕ ДРЕВО ЖИЗНИ, ДРЕВО ФИЗИЧЕСКИХ ЗАКОНОВ ЕСТЬ РЕЗУЛЬТАТ ЭВОЛЮЦИИ ДАРВИНОВСКОГО ТИПА – ЕЕ МОЖНО ПОНЯТЬ, ТОЛЬКО ДВИГАЯСЬ ВСПЯТЬ ВО ВРЕМЕНИ.

Мы создаем Вселенную настолько же, насколько Вселенная создает нас.

Рис. 50. Стивен Хокинг и автор в процессе своих научных странствий, в кабинете Стивена в новом кампусе математических наук в Кембридже. Сзади на полке – докторские диссертации академических отпрысков Стивена. Под ними, рядом с микроволновкой, – небесный глобус микроволнового фонового излучения, идущего к нам со всех сторон и образующего вокруг нас безграничную сферу, наш космический горизонт.

Глава 7

Время без времени

Настоящее и прошедшее, Вероятно, наступят в будущем, Как будущее наступало в прошедшем. Если время всегда настоящее, Значит, время не отпускает.

Т. С. Элиот, Бернт Нортон

Совершение дарвинистской революции в космологии было подлинным актом хокингианства. Этот акт – великий пример бесстрашного, азартного, основанного на интуиции физического мышления, столь характерного для большинства поздних работ Хокинга.

Наши первые работы по нисходящей космологии относятся к 2002 году. И хоть сейчас, оглядываясь назад, я вижу, что мы были на верном пути, продвигались мы буквально наощупь. Даже на более поздних стадиях работы суперпозиция пространственно-временных континуумов, лежащая в основе нисходящей философии, оставалась трудной для понимания. Складывались ли они, образуя гигантское расширение универсальной волновой функции Эверетта, что-то вроде квантовой версии мультивселенной, щупальца которой простирались до отдаленных уголков струнного ландшафта? Но если это так, разве могла эта грандиозная волновая функция космоса не быть долгожданным метазаконом, лежащим в основании всех физических теорий и снова низводящим наблюдение до чего-то, что немногим бы отличалось от эффекта постселекции?

Наши ранние нисходящие построения были тем, что Джим Хартл как-то назвал «идеями для идеи». Сами по себе эти прозрения были, наверное, глубоки и важны, но, чтобы они могли созреть, их надо было поместить в контекст соответствующей физической теории. И мы начали искать более твердую почву.

Озарение пришло с неожиданной стороны. В эти годы в физике происходила революция: она разворачивалась на рабочих столах и лекционных досках в кабинетах струнных теоретиков, которые, экспериментируя с гипотетическими вселенными, вдруг обнаружили у них странные голографические свойства.

Об охватившей теоретическую физику голографической революции я впервые услышал в январе 1998 года. Я только что поступил на магистратуру и слушал в DAMTP курс продвинутой математики, известный на кембриджском жаргоне как «Часть III», как вдруг в начале весеннего триместра стало известно о серии специализированных семинаров для преподавательского состава, посвященных новому важному открытию. Ходили слухи, что оно «изменит все».

Это звучало волнующе, и я решил проскользнуть в конференц-зал – подслушать, что скажут на первой лекции. Это было еще в старом здании DAMTP на Силвер-стрит – в центре Кембриджа, в скудно освещенном лекционном зале с ожидаемо запотевшими окнами и огромной доской во всю стену. Зал был переполнен – собралось человек сто физиков-теоретиков. Атмосфера была шумной и неформальной. Одни жарко спорили, другие, царапая бумагу, писали уравнения, а третьи, видимо, просто наслаждались передышкой, потягивая чай.

Я высматривал местечко поудобнее, когда заметил докладчика. Мне уже случалось его видеть – в Кембридже хорошо знали Стивена с его знаменитым креслом на колесиках. Но видеть его здесь, в его научной штаб-квартире, значило приоткрыть новое измерение его личности. Несмотря на свою почти полную неспособность двигаться, Стивен был полон жизни. Находясь в эпицентре своей группы исследователей гравитации, явно пользующийся обожанием коллег и друзей, широко улыбаясь, он общался с окружающими его собеседниками посредством множества еле заметных сигналов и знаков, значения которых я не мог расшифровать. От всей этой сцены веяло ощущением родственной близости и искренней радости всех ее участников. Я вдруг почувствовал, будто оказался на большой семейной вечеринке. В меню: конец пространства-времени, каким мы его знаем.

Стивен маневрировал своим креслом. Ухватившись левой рукой за пульт управления, вмонтированный в подлокотник, он, по-видимому, пытался найти такую позицию, чтобы видеть и аудиторию – поворачивая глаза вверх и чуть вправо, – и экран проектора – вверх и чуть влево. Когда он наконец обрел удобное положение, поднялся Гэри Гиббонс и сообщил аудитории, что Стивен прочтет первую лекцию из объявленной специальной серии. В зале стало тихо. Стивен, оперируя зажатым в правой руке кликером, начал выводить на экран подготовленный им текст. Потом он выдержал паузу, взглянул на нас, снова на экран, и опять нажал на кликер.

«У меня всегда была слабость к анти-де-ситтеровскому пространству, и чувство, что им несправедливо пренебрегают. Поэтому я рад, что теперь оно снова и очень эффектно вошло в моду…»

Стивен читал лекцию, отправляя написанный им текст, предложение за предложением, в компьютерный синтезатор голоса, вмонтированный в его кресло. В первом ряду сидел его ассистент с развернутой на коленях распечаткой текста. Он управлял проектором, демонстрируя слайды с основными иллюстрациями анти-де-ситтеровской и других конфигураций пространства, о которых шла речь в лекции Стивена. Иногда Стивен останавливался, чтобы установить зрительный контакт с аудиторией, с гордостью оценить реакцию на свою шутку или дать кому-то возможность возразить.

Сначала я был просто загипнотизирован этим представлением. Но меня очаровало и странное анти-де-ситтеровское пространство, источник всего этого шума. Тогда я и представить не мог, что не пройдет и года, как Стивен даст моему однокурснику Харви Риллу и мне задание подумать о нашей видимой Вселенной как о четырехмерной мембранообразной голограмме, парящей в пятимерном анти-де-ситтеровском пространстве. И что мы вместе напишем «О дивный браны мир»[179]. Популярная версия этого трактата вошла в книгу «О Вселенной вкратце», которую мы в это время издавали. Как Стивену удавалось почти одновременно с выполнением своих исследований вплетать их в выпускаемые им книги? Это впечатляющее умение – в точных науках дело почти неслыханное[180].

В сущности, идея о том, что Вселенная может быть чем-то похожа на голограмму, имеет длинную историю. Можно вспомнить платонову аллегорию пещеры: Платон уподобляет наше восприятие мира тому, как узники, заключенные в пещере, судят о происходящем снаружи по игре теней на стенах. Платон представлял наш видимый мир как слабый отблеск намного более совершенной реальности идеальных математических форм, которые существуют где-то вовне, независимо от нас. Сегодняшняя голографическая революция в физике переворачивает платоновское видение с ног на голову. Cогласно последнему воплощению голографической идеи все, что происходит в воспринимаемом нами четырехмерном мире, на деле есть проявление скрытой реальности, заключенной в тонком срезе пространства-времени. Голографическое мышление исходит из того, что существует альтернативное описание реальности, совершенно иная картина мира, из которой каким-то образом проецируются на наше восприятие гравитация и искривленное пространство-время. Больше того, утверждается, что наш трехмерный теневой мир квантовых частиц и полей может в конечном счете рассказать нам все и об истинном мире во всей его полноте. В своей наиболее амбициозной форме голографическая физика XXI века заявляет, что, если бы только нам удалось расшифровать скрытую голограмму, мы постигли бы глубочайшую природу физической реальности.

Теория голографии принадлежит к самым важным и далекоидущим достижениям физики конца XX века. Она непосредственно воздействовала и на идеи Стивена, уведя его еще дальше в глубь теории струн. И хотя физики все еще не пришли к соглашению по поводу того, где именно эта голограмма могла бы располагаться или из чего она могла быть сделана, новая перспектива, открытая голографией, уже до неузнаваемости изменила всю теоретическую физику. На протяжении десятилетий физики-теоретики бились над тем, чтобы завершить начатое теорией струн объединение общей относительности и теории квантов. Открытие голографии привело именно к этому. Оно показало, что гравитация и квантовая теория не обязаны непременно быть водой и пламенем – они могут быть как инь и ян, как два очень разных, но дополняющих друг друга описания одной и той же физической реальности.

CОГЛАСНО ПОСЛЕДНЕМУ ВОПЛОЩЕНИЮ ГОЛОГРАФИЧЕСКОЙ ИДЕИ ВСЕ, ЧТО ПРОИСХОДИТ В ВОСПРИНИМАЕМОМ НАМИ ЧЕТЫРЕХМЕРНОМ МИРЕ, НА ДЕЛЕ ЕСТЬ ПРОЯВЛЕНИЕ СКРЫТОЙ РЕАЛЬНОСТИ, ЗАКЛЮЧЕННОЙ В ТОНКОМ СРЕЗЕ ПРОСТРАНСТВА-ВРЕМЕНИ.

Хотя голография не была придумана с оглядкой на реалистическую Вселенную, космология вполне может быть той ареной, где этот метод обретет свое наиболее радикальное применение. Голография оказалась тем самым путем, который Стивен и я настойчиво искали, чтобы поставить нисходящую космологию на твердую почву. И в этой главе я расскажу, как именно голография делает полномасштабный подход «сверху вниз» неизбежным при описании Большого взрыва.

Разработка голографической космологии стала третьей стадией нашего путешествия. Эта стадия началась осенью 2011 года во время одной из поездок Стивена в Бельгию, а достигла кульминации в статье, которую мы опубликовали незадолго до его ухода[181]. Наше путешествие на самый передний край теоретической физики связало между собой далекие друг от друга области, от квантовой информации до черных дыр и космологии, и в процессе мучительно трудного синтеза показало, что возможно «время без времени».

Первые указания на роль голографии восходят к золотому веку исследований черных дыр в начале 1970-х, когда математики и физики-теоретики наконец поняли основные свойства этих невероятно плотных объектов.

Кульминацией этого золотого века стало удивительное открытие Хокинга: черные дыры не вполне черные, а испускают слабый поток излучения. Как сейчас всем известно, сначала Стивен решил, что ошибся в вычислениях. Считалось, что черные дыры поглощают все вещество и излучение, а не выбрасывают их наружу, – в конце концов, разве не в этом вся суть черной дыры? Однако вычисления были верны, а излучение черной дыры реально – Стивена убедило в этом то, что оно имело все характеристики теплового излучения, так называемого излучения черного тела. Этим термином физики называют излучение, испускаемое обычным неотражающим телом при некоторой температуре. К примеру, космическое микроволновое фоновое излучение с температурой 2,7 кельвина – чернотельное. Этот факт говорит нам, что даже вся наблюдаемая Вселенная ведет себя как обычное излучающее тело.

Выполненный Планком в 1900 году теоретический вывод спектра чернотельного излучения был зарей квантовой революции. Сегодня, когда бы планковский спектр ни обнаружился в природе, физики считают это несомненным признаком стоящего за этим излучением квантового процесса. Именно такого вида процесс и рассматривал Хокинг. Стивен глядел на черную дыру под полуклассическим углом, изучая квантовое поведение вещества, движущегося вокруг черной дыры в создаваемой ею классической искривленной геометрии. К своему удивлению он обнаружил, что квантовые процессы вблизи поверхности горизонта, точки невозврата в теории относительности, порождали слабый поток теплового излучения, устремляющегося во всех направлениях от черной дыры. Стивен сделал следующий шаг и вычислил температуру T черной дыры, выведя для этого формулу, которая впоследствии была выбита на медальоне, изображенном на рис. 51.

В этой формуле буквой M обозначена масса черной дыры. Остальные участвующие в ней величины относятся к основным мировым постоянным: c – скорость света, G – ньютонова гравитационная постоянная, ħ – квантовая постоянная Планка, k – постоянная Больцмана в термодинамике, науке об энергии, теплоте и работе. Красота формулы Хокинга в том, что все эти постоянные объединены в ней в одном уравнении. В отличие от других прославленных уравнений физики XX столетия, таких как уравнения Эйнштейна или Шрёдингера, которые описывают отдельные области физики, в формуле Хокинга отражена взаимосвязь разных областей. Объединяя принципы квантовой теории и общей теории относительности, Хокинг шел на математический риск, но был вознагражден прозрением, к которому в одиночку не могла бы его привести ни теория относительности, ни теория квантов: черные дыры излучают. Уилер как-то сказал о формуле Хокинга, что даже говорить о ней так же приятно, как «перекатывать во рту карамельку». Сегодня уравнение температуры черной дыры выгравировано на надгробии Стивена в Вестминстерском аббатстве – будто его пропуск в бессмертие[182].

Рис. 51. На медальонах, выпущенных по случаю захоронения урны с прахом Стивена в Вестминстерском аббатстве 15 июня 2018 года, выбита полученная им формула температуры черной дыры вместе со схематическим изображением процесса излучения Хокинга.

Открытие Стивена было как гром среди ясного неба. Он объявил о полученном результате в феврале 1974 года, в ошеломляющем докладе на конференции по квантовой гравитации в Лаборатории Резерфорда, в Эпплтоне близ Оксфорда. «Черные дыры раскалены добела», – объявил он ошарашенной аудитории. Конечно, это было его фирменное преувеличение. Так как черные дыры – это остатки звезд, подставляя в формулу количественные значения, мы получим температуру меньше, чем 0,0000001 кельвина, что гораздо холоднее даже обжигающе холодного CMB-излучения с его 2,7 К. Так что вряд ли нам доведется когда-либо наблюдать излучение черной дыры. Но это лишь небольшое практическое неудобство.

В теоретическом смысле излучение Хокинга имеет революционное значение – оно покончило с классическим образом черных дыр как пустых бездонных ям в пространстве-времени, из которых ничего не может выбраться.

Дело в том, что тепловое излучение обычно возникает в процессе движений внутренних составляющих объекта. Именно поэтому температура идет рука об руку с энтропией, введенной Больцманом мерой количества микроскопических расположений составных частей системы, которые оставляют макроскопические свойства системы неизменными. В свою очередь, энтропия тесно связана с информацией – основная идея этого понятия в том, что каждая материальная частица и каждая частица силы во Вселенной содержит в себе скрытый ответ на вопрос типа «да – нет».

Грубо говоря, более высокая энтропия означает, что, не меняя своих общих макроскопических свойств, система может накапливать в своих микроскопических деталях больше информации. Теперь из своей формулы температуры черных дыр Хокинг немедленно мог вывести выражение для содержащегося в них количества энтропии S. Вот оно:

Вообще-то, Хокинг был не первым, кто предположил, что черные дыры обладают энтропией. Еще в 1972 году израильско-американский физик Якоб Бекенштейн выдвинул идею, что энтропия черных дыр пропорциональна площади A поверхности их горизонта. В то время почти все в научном сообществе – и Стивен впереди всех! – отвергали идею Бекенштейна, потому что, ну, черные дыры же не излучают, а значит, никакой энтропии быть у них не может. Своим открытием излучения (излучение Хокинга) Стивен неопровержимо доказал, что Бекенштейн был прав.

Полученная Бекенштейном и Хокингом формула энтропии предсказывает, что черные дыры имеют поистине гигантскую информационную емкость. Вероятно, черные дыры – самые эффективные во Вселенной хранилища информации по ее количеству на единицу объема. Согласно этой формуле, Стрелец A*, гигантская черная дыра массой в четыре миллиона Солнц, таящаяся в центре Млечного Пути, – фотография ее тени впервые была опубликована весной 2022 года, – может хранить не менее 10^80 гигабайтов! Та же формула говорит нам, что все данные, хранящиеся в устройствах памяти и базах данных Google, легко могли бы поместиться внутри черной дыры размером меньше протона. (Но, конечно, если бы эта информация туда попала, загуглить ее было бы очень трудно!) Тем не менее, как ни огромна может быть энтропия черной дыры, формула ясно говорит нам, что количество бит информации внутри черной дыры конечно. Самое прямолинейное прочтение уравнения энтропии таково: имеется огромное, но конечное количество черных дыр, которые снаружи выглядят совершенно одинаково, но тем не менее различаются по своему внутреннему строению.

Это интригует. Согласно классической общей теории относительности, черные дыры – идеал простоты. У релятивистской черной дыры самый непроницаемый покер-фейс на свете. Совершенно неважно, сделана черная дыра из звезд, алмазов или даже антивещества, говорит теория Эйнштейна. В конечном счете она полностью характеризуется всего двумя числами: своей полной массой и угловым моментом[183] (моментом импульса)[184]. Уилер выразил идею этой высшей простоты в своем знаменитом афоризме «Черные дыры не имеют волос» – другими словами, черные дыры не могут хранить каких-либо воспоминаний об истории своего формирования. В общей теории относительности черная дыра – крайняя форма мусорной урны: в ее недрах находится сингулярность, имеющая бесконечную емкость, что позволяет ей неограниченно поглощать и разрушать всю падающую в нее информацию.

Но полуклассическая формула энтропии Бекенштейна и Хокинга рисует совершенно другую картину. Она изображает черные дыры как самые сложные объекты в природе, прямо противоположные своему классическому образу. Формула энтропии предполагает, что, так как общая теория относительности Эйнштейна игнорирует квантовую механику и принцип неопределенности, она полностью упускает из виду огромное число гигабайтов, закодированных в микроструктуре недр черной дыры.

Однако то, что энтропия растет как площадь поверхности A, а не как объем черной дыры, еще более удивительно. У всех известных систем хранения информации емкость хранилища связана с его объемом, а не с площадью внешней поверхности. Если мы хотим оценить количество информации, хранящееся, например, в библиотеке, нам следует подсчитать число книг на всех полках, а не только на тех, что стоят вдоль стен. С черными дырами дело обстоит, похоже, не так. Чтобы вычислить квантовый информационный контент черной дыры, мы, согласно формуле энтропии, должны рассмотреть площадь поверхности горизонта A и покрыть ее сетью микроскопических ячеек, длина сторон которых равна одной планковской длине (см. рис. 52). Планковская длина lp есть по сути квант длины: это мельчайшая единица шкалы длины, для которой понятие расстояния еще имеет значение. Площадь одной ячейки планковского размера, выраженная через вышеуказанные мировые постоянные, равна lp2 = Għ/c3, что примерно составляет 10–66 см2. Если измерять площадь поверхности горизонта в квантах квадратиков планковской длины, формула энтропии предсказывает, что общее информационное содержание черной дыры равно числу таких ячеек, необходимому для покрытия всей поверхности горизонта, деленному на четыре. Таким образом, фундаментальное знание, которое вытекает из уравнения энтропии, заключается в том, что каждая планковская ячейка на горизонте событий несет один бит информации. Каждый такой бит потенциально может обеспечить ответ на один вопрос типа «да-нет» об эволюции черной дыры и ее микроструктуре, и коллекция всех таких битов будет всем, что можно узнать о данной черной дыре.

Так голография впервые «засветилась» в современной физике. Раз информационная емкость черных дыр определяется не их объемом, а площадью поверхности их горизонта событий, выходит, что у черных дыр как будто вообще нет внутреннего пространства – и они представляют собой голограммы.

Рис. 52. Энтропия черной дыры равна числу ячеек планковского размера, необходимому для того, чтобы покрыть поверхность ее горизонта, деленную на четыре. Это выглядит так, будто каждая такая мельчайшая ячейка содержит один бит информации, а в сумме они содержат всю полноту информации о данной черной дыре.

И что нам теперь со всем этим делать? Формула энтропии ничего не говорит нам ни о том, как черные дыры хранят свои зеттабайты информации, ни даже о том, действительно ли квантовые чипы покрывают непостижимые поверхности их горизонтов событий. Энтропия также не определяет списка тех вопросов, на которые предположительно должны дать ответы типа «да-нет» хранящиеся в этих чипах биты информации. Она просто отмечает, что биты должны существовать.

Все запутывается еще больше, если представить, что могло бы случиться со скрытой информацией, когда черная дыра стареет. Масса черной дыры, M, входит в знаменатель формулы температуры. Поэтому, если черная дыра понемногу теряет массу, излучая энергию и частицы, ее температура растет, отчего дыра сияет все ярче и теряет массу все быстрее. Следовательно, излучение Хокинга, хоть и запускается медленнее, чем мы можем себе представить, является самоподдерживающимся процессом, который в конечном счете приводит к исчезновению черных дыр. Эта особенность не ускользнула от Хокинга[185]. «Черные дыры не вечны, – писал он. – Они испаряются с возрастающей скоростью, пока не исчезают, взрываясь с гигантской силой».

Но какова же судьба огромного количества информации, хранящейся внутри черной дыры, когда она, излучая, теряет массу и в конечном счете испаряется?

Здесь, по всей видимости, есть два разумных сценария. В первом информация теряется навсегда. Черные дыры – абсолютные стиратели информации. Если вспомнить о всепоглощающей мощи черных дыр, такой исход может показаться вполне естественным. Но проблема в том, что этот сценарий запрещен квантовой теорией. Ее основные правила требуют, чтобы волновая функция любой системы эволюционировала с сохранением информации. Так должно быть всегда. Квантовая эволюция может преобразовать информацию до неузнаваемости, но никогда не может ее необратимо уничтожить. Это свойство связано с очевидным требованием, что в квантовой теории полная сумма всех вероятностей должна равняться единице, что бы ни происходило. Закон сохранения информации в квантовой физике, к примеру, означает, что если сжечь энциклопедию, то в принципе можно восстановить всю хранившуюся в ней информацию из пепла. Подобным же образом, если квантовая механика утверждает, что информация хранится вблизи горизонта событий черных дыр – а у нас нет никакой очевидной причины в этом сомневаться, – то, когда черная дыра исчезнет, каждый бит информации должен в конце концов снова выйти наружу.

Теперь рассмотрим второй сценарий. Может быть, вся информация утекает из черной дыры, зашифрованная в излучении Хокинга? Процесс испарения идет невероятно долго, так что эта версия не кажется неправдоподобной. Более того, это было бы вполне совместимо с квантовой механикой. Увы, вычисления Стивена этого не подтверждают. Излучение Хокинга не уносит информацию. Когда черная дыра теряет часть своей массы в форме излучения Хокинга, спектр этого излучения не имеет абсолютно никаких особенностей – он совершенно гладкий. Ничего в этом излучении не помогает сделать каких бы то ни было выводов ни о микроскопической структуре черной дыры, ни о ее истории. Согласно Хокингу, когда черная дыра излучает последний грамм своей массы и исчезает, все, что остается, – облако хаотического теплового излучения, из которого даже в принципе невозможно узнать, было ли оно когда-то черной дырой – не говоря уж о том, какой именно. Испаряющиеся черные дыры, заявлял Хокинг, фундаментальным образом отличаются от горящих энциклопедий.

Это парадокс. Когда черные дыры испаряются, информация оказывается невосстановимо потерянной, но квантовая теория говорит, что это невозможно. Постепенно до физиков дошло, что в своем остроумном мысленном эксперименте Стивен набрел на фантастически глубокую и трудную проблему, возникающую, когда теория относительности и квантовая теория одновременно применяются для решения одной и той же задачи. Построив то, что казалось идеально удачным полуклассическим сплавом обеих теорий[186], он показал, что бездна, разделяющая эти теории, на деле гораздо глубже и шире, чем он или кто-либо другой мог подумать. Парадокс судьбы информации, скрытой внутри испаряющихся черных дыр, стал самой интригующей загадкой теоретической физики конца XX века, доводившей до умоисступления не одно, а два поколения физиков. В каком-то смысле эта проблема оказалась современным аналогом загадки аномальной орбиты Меркурия в XIX столетии. Тогда искажение формы орбиты Меркурия бросило вызов теории Ньютона. Теперь информационный парадокс черной дыры стал маяком, указывавшим путь в поиске объединенной физической теории. Физики чувствовали, что, если они смогли бы развязать завязанный Хокингом узел и понять, что происходит со скрытой в черной дыре информацией, когда дыра прекращает свое существование, они проложили бы путь к слиянию принципов теории относительности и квантовой теории в единых и согласованных рамках.

КОГДА ЧЕРНЫЕ ДЫРЫ ИСПАРЯЮТСЯ, ИНФОРМАЦИЯ ОКАЗЫВАЕТСЯ НЕВОССТАНОВИМО ПОТЕРЯННОЙ, НО КВАНТОВАЯ ТЕОРИЯ ГОВОРИТ, ЧТО ЭТО НЕВОЗМОЖНО.

Поначалу Стивен поставил на первый сценарий. Информация теряется; физика в серьезной опасности; квантовая теория должна быть пересмотрена. «Крах предсказуемости в гравитационном коллапсе» – так называлась статья, в которой Хокинг впервые рассмотрел следствия, вытекающие из потери информации.

Внесем ясность: черная дыра с массой Солнца начнет испаряться не раньше, чем через несколько сотен миллиардов лет, когда температура микроволнового фонового излучения наконец упадет ниже температуры черных дыр звездных масс. Сам процесс испарения затем займет еще по меньшей мере 10^60 лет – гораздо больше, чем нынешний возраст Вселенной. Так что, если только в ходе горячего Большого взрыва уже не образовались мини-черные дыры, или если в один прекрасный день на Большом адронном коллайдере их все же удастся получить, взрывы черных дыр, скорее всего, еще некоторое время останутся чисто теоретическим мысленным экспериментом.

Но для Стивена тут дело было в принципе. Если черные дыры уничтожают информацию, то они при испарении могут испускать какой угодно набор частиц. Если бы это было так, это означало бы, что весь жизненный цикл черных дыр, от гравитационного коллапса звезды до облака хокинговского излучения, вносит в физику совершенно новый уровень случайности и непредсказуемости – вдобавок к обычной вероятностной природе квантовой механики. Дело обстояло бы так, что часть волновой функции как будто просто-напросто исчезает внутри черных дыр или каким-то образом куда-то просачивается – возможно, в другую вселенную. Очевидно, это поставило бы под угрозу способность физики предсказывать будущее нашей Вселенной, даже в том усеченном вероятностном смысле, который нам хорошо знаком из квантовой механики. А если детерминизм, вероятностная предсказуемость Вселенной, основанная на законах науки, не работает в присутствии черных дыр, как мы можем быть уверены в том, что он не откажется работать и в других ситуациях? Как мы можем тогда быть уверены в своей собственной истории, в своих воспоминаниях? «Прошлое рассказывает нам, кто мы, – настойчиво указывал Стивен[187]. – Без него мы теряем свою идентичность». Размышляя над далекоидущими последствиями потери информации внутри черных дыр, Стивен пришел к заключению, что физика находится в очень серьезной опасности.

Несколько лет вокруг этой проблемы не утихали довольно-таки бесплодные споры. Те, кто рассматривал вопрос с точки зрения физики частиц, доказывали, что квантовая теория непоколебима, а Стивен допустил ошибку. Однако никто из экспертов по физике частиц ошибки в вычислениях Стивена найти не мог. С другой стороны, большинству релятивистов, специалистов по теории относительности, было очень хорошо известно о разрушительной мощи сингулярностей пространства-времени; они принимали сторону Стивена, но тоже не могли предложить убедительной стратегии спасения физики. Польза от сложившейся ситуации была в создании стимулирующей научной атмосферы, объединившей все научное сообщество. И специалисты по физике частиц, и релятивисты, применяя различные методы и инструменты исследований, учились друг у друга. В слабых фотонах, испускавшихся черными дырами, была скрыта глубокая истина, которую все стремились найти.

Но только на заре XXI века, когда физики наконец стали лучше понимать голографическую природу черных дыр, целой серии новых идей и мысленных экспериментов удалось вывести науку из тупика, в который ее привел парадокс черных дыр. Эти прозрения стали началом так называемой второй революции в теории струн, теории, которая в конце 1990-х дала толчок космологии мультивселенной, сыгравшей главную роль в попытках физики сформулировать единую квантовую теорию гравитации и всех других сил (см. главу 5).

Первым залпом этой революции стала лекция выдающегося струнного теоретика Эдварда Виттена из Института перспективных исследований в Принстоне, прочитанная им на ежегодном всемирном съезде специалистов по теории струн Strings’95 в 1995 году.

В это время дела в теории струн шли неважно. Перспектива того, что физики хоть когда-нибудь смогут протестировать какую-либо из основных идей теории, выглядела, мягко говоря, бледно. В столкновениях частиц высочайших энергий на крупнейших ускорителях мира не было видно – а кстати, не видно и сейчас – никаких признаков существования в точках пространства, скрученных в тугие узелки дополнительных измерений, куда просачивалась бы часть энергии этих столкновений. Сверхмалая планковская шкала расстояний, на которой квантовая природа гравитации должна была бы наконец существенно проявиться, по всей видимости, оставалась пока недосягаемой – для исследования таких расстояний потребовался бы ускоритель размером с Солнечную систему. Далее, за годы новаторских математических ухищрений теории так и не удалось пролить свет на квантовую природу гравитации в ситуациях, где это действительно имело значение – внутри черных дыр и в ходе Большого взрыва. И, что было еще хуже, струнные теоретики увидели, что у теории струн не один, а целых пять разных вариантов – и все они с одинаковой уверенностью претендовали на то, чтобы стать настоящей единой теорией природы. В довершение всего появилась и еретическая шестая теория, названная супергравитацией: расширение эйнштейновской теории относительности, в которое вошли и вещество, и суперсимметрия, и мембранообразные объекты вместо струн. Форпостом супергравитации стал Кембридж, который в то время приобрел несколько антиструнную репутацию.

Название лекции Виттена на конференции Strings’95: «Некоторые замечания о динамике струн», не предвещало, что докладчик собирается покончить со сложившейся патовой ситуацией. Но он сделал именно это. Его легендарная лекция вошла в анналы физики. Виттен набросал радикально новую перспективу теории струн. Он объяснил, что все пять ее конкурирующих версий и диссидентская теория супергравитации – не шесть различных теорий, а просто разные обличья единого математического здания. Суммируя широкий спектр сделанных им находок, Виттен получил сложную систему математических соотношений, которая трансформировала различные теории струн друг в друга и в теорию супергравитации. В результате образовалась подобная паутине сеть объединяющих все эти теории связей (см. рис. 53). Эту паутину связей Виттен назвал M-теорией. И хотя M-теория, возможно, сама не имела определенной структуры – некоторые язвили, что буква M обозначает «магию» или «мистику», – у нее есть восхитительная способность менять свою собственную форму, способность, которая делает ее чем-то и правда похожей на какого-то призрачного оборотня. Благодаря этому качеству она принимает форму одной из шести теорий-партнеров, в зависимости от избранной точки зрения. Этого более глубокого объединения теории струн в рамках M-теории и стало достаточно для второй струнной революции. M-теория заставила теоретиков осознать, что шесть различных подходов к созданию единой теории не конфликтовали друг с другом, но были дополняющими и усиливающими друг друга вторжениями в область квантовой гравитации[188].

Математические соотношения, трансформирующие с виду различные объекты друг в друга, в физике называются дуальностями или дуализмами. Две дуальные теории в некотором роде эквивалентны: они описывают одну и ту же физическую ситуацию, выражая ее на разных математических языках. Простой пример дуализма – дуализм волны/частицы в квантовой механике; на заре ее развития он приводил к немалому замешательству.

Рис. 53. Паутина математических взаимосвязей объединяет пять теорий струн и теорию супергравитации, что заставляет предполагать существование у них еще более глубокой единой основы.

Дуальности – мощное подспорье при вычислениях; предлагая дополняющие друг друга точки зрения на данную физическую систему, они могут привести к новым озарениям. Дуальности M-теории в особенности плодотворны, так как они часто трансформируют запутанный анализ в рамках одной версии струнной теории в простое лобовое решение в дуальной теории-партнере. До второй струнной революции физикам приходилось пользоваться приближенными методами анализа в рамках каждой из струнных теорий по отдельности. Это ограничивало их поле деятельности полуклассическими ситуациями, в которых относительно малое число струн вибрировало в слабо искривленном классическом фоновом пространстве. В результате увлекательные квантовые свойства черных дыр, не говоря уж о Большом взрыве, оставались за бортом их анализа, и великий проект объединения намертво увязал в деталях. Вторая струнная революция все это резко изменила. С этих пор, когда в одной струнной теории появляются трудности, на помощь часто приходит дуальность: благодаря ей невозможно трудные вычисления удается перевести в идеально удобные в рамках другой теории. Таким образом, паутина виттеновской M-теории оказалась чем-то гораздо большим, чем просто суммой составляющих ее теорий. Объединяя достижения всех пяти струнных теорий плюс успехи супергравитации, M-теория открыла в квантовой области гравитации и унификации совершенно неизведанные территории.

Но вершиной второй струнной революции стало открытие дуализма совершенно нового вида, настолько странного, что никто не мог представить возможности его существования – голографического дуализма.

В 1997 году аргентинец Хуан Малдасена, тогда молодой преподаватель Гарвардского университета, наткнулся на в высшей степени загадочную дуальность. Она не связывала ни две струнные теории, ни две теории частиц – нет, это был дуализм между струнными теориями, учитывавшими тяготение, и теориями частиц, в которых тяготение не учитывалось. Более того, две стороны открытого Малдасеной дуализма имели разное число измерений: теория частиц была как бы голограммой теории гравитации. Малдасена открыл этот странный дуализм, размышляя о теории струн и супергравитации в рамках некоторой конкретной гипотетической ситуации[189]. В гравитационную часть дуализма Малдасены входили общая относительность и супергравитация во вселенных, схожих по форме с анти-де-ситтеровским пространством, или AdS-пространством. Как видно из названия, AdS-пространство – антипод пространства де Ситтера. Последнее соответствует решению уравнения Эйнштейна, найденному в 1917 году голландским астрономом Виллемом де Ситтером, – оно описывает экспоненциально расширяющуюся вселенную с положительной космологической постоянной [λ > 0]. У анти-де-ситтеровского пространства отрицательная космологическая постоянная [λ < 0], и оно не расширяется. Наоборот, оно представляет собой что-то вроде внутренности снежного шара – сферический объем, ограниченный со всех сторон непроницаемой поверхностью.

Вторая сторона дуализма Малдасены включала в себя квантовые теории частиц, очень напоминающие Стандартную модель. Это квантовые теории поля, или QFT, – именно они описывают частицы и силы как локализованные возбуждения распределенных в пространстве полей. QFT в дуализме Малдасены подобны квантовой хромодинамике – части Стандартной модели, описывающей сильное ядерное взаимодействие.

Неожиданная голографическая природа этого дуализма возникает, потому что квантовые поля в теориях частиц не проникают внутрь «снежного шара» AdS – их можно представить заключенными в окружающей этот шар граничной поверхности. То есть QFT выглядит действующей в пространстве-времени, у которого на одно измерение меньше. Если у AdS-пространства четыре пространственно-временных измерения, то QFT действует в трех измерениях: у AdS исчезает глубина, искривленное измерение, направленное перпендикулярно граничной поверхности. Кроме того, QFT свободна от гравитации. На границе AdS-пространства нет гравитационных волн, черных дыр и вообще чего бы то ни было, напоминающего гравитационное притяжение. В QFT частиц гравитации не существует.

Или мы думали, что не существует.

Ключевой момент дерзкого шага, сделанного Малдасеной, заключался в том, что эти две теории, какими бы разными они ни казались, фактически были замаскированными версиями друг друга. Малдасена утверждал, что теория (супер)гравитации в AdS и пограничная QFT в определенном смысле эквивалентны. Это и была настоящая голография! Ведь это означало, что все, что можно узнать о струнах и тяготении в четырехмерной AdS-вселенной, может быть закодировано в квантовых взаимодействиях обычных частиц и полей, полностью лежащих в пределах трехмерной граничной поверхности. Этот «поверхностный мир» функционирует как некая голограмма, как план внутреннего пространства AdS-мира – он содержит всю информацию о нем, но выглядит совершенно иначе. Это почти как если бы вы могли узнать все о внутренности апельсина, тщательно анализируя его кожуру.

Рис. 54. Голографические взаимоотношения уравнивают теорию струн и гравитацию во внутреннем объеме искривленного пространства-времени с определенными квантовыми теориями частиц и полей без учета гравитации, действующей на границе этого пространства-времени.

В своей наиболее амбициозной форме голографический дуализм утверждает, что пограничный мир квантовых полей и частиц полностью определяет поведение тяготения и вещества внутри AdS, а не просто дает их классическое или полуклассическое приближение. Вдвойне поразительно при этом то, что теории частиц в дуализме Малдасены относятся к наиболее изученным и разработанным квантовым теориям поля, известным физикам еще с середины XX века. Выходит, что голография – в своей предельно смелой форме – являет собой действующий образец полной квантовой теории тяготения и вещества.

Это в корне изменило все. Десятки лет физики отчаянно пытались соединить общую теорию относительности и квантовую теорию. Теперь, после откровения Малдасены, эти две с виду противоречащие друг другу теории стали работать в симбиозе. Голографические дуальности привели к открытию, что относительность и квантовая теория не антагонистические, а всего лишь альтернативные аспекты описания одной и той же реальности. Физические системы могут быть гравитационными и квантовыми в одно и то же время, хотя и в разных измерениях. Так говорит нам голография. В этом и состоял поразительный сдвиг перспективы, вызванный открытием дуализма Малдасены.

Так же, как это происходит и с другими дуальностями в рамках M-теории, природа отношений между обеими сторонами голографического дуализма такова, что, когда вычисления с одной стороны идеально просты и однозначны, ситуация с другой стороны часто оказывается исключительно сложной и запутанной. К примеру, в случае слабой гравитации и небольшой кривизны AdS-вселенной граничное описание содержит настолько сильные квантовые взаимодействия между его составляющими, что трудности QFT становятся неразрешимыми и даже понятие индивидуальных частиц может перестать что-то значить.

Это свойство делает голографические дуальности очень трудно доказуемыми, но одновременно и необычайно мощными. Ведь это значит, что физики могут использовать эйнштейновскую теорию гравитации и ее расширение – супергравитацию, – чтобы узнать о новых явлениях в квантовом мире частиц, и наоборот. За эти годы голография стала подлинной математической лабораторией, в которой теоретики ставят самые изобретательные мысленные эксперименты с целью добиться более глубокого понимания – и приобрести интуицию – в поразительной области голографических оснований природы. Сегодня область применения голографической физики простирается далеко за пределы M-теории, из которой она появилась: широкая сеть ее приложений соединяет области, которые мы раньше считали совершенно самостоятельными областями физики, – общую теорию относительности, физику конденсированных сред, ядерную физику, квантовую теорию информации и даже астрофизику.

Но вернемся к черным дырам. Если голография дает нам полную теорию квантовой гравитации, хоть и в контексте AdS, то она, конечно, решает и сформулированный Стивеном труднейший информационный парадокс черной дыры?

Однако здесь все не так просто. Дело в том, что в связанном с граничной поверхностью описании Малдасены внутренний мир AdS закодирован крайне запутанным и трудно распознаваемым образом. Это не должно нас удивлять: даже обычная оптическая голограмма и отдаленно не похожа на закодированную в ней трехмерную картину. Поверхность обычной двумерной голограммы состоит из с виду случайно разбросанных линий и каракулей. Требуется сложная операция, обычно в форме просвечивания голографической поверхности лазерным лучом, чтобы преобразовать этот хаос в трехмерную картину.

Подобно этому, чтобы расшифровать закодированное на голографической поверхности описание того, что происходит внутри AdS-пространства, требуется сложная математическая операция. К несчастью, к открытию голографии не был приложен математический словарь, к которому можно обратиться, чтобы узнать, как именно эти две стороны реальности переходят друг в друга. Теоретикам приходится постепенно, статья за статьей, создавать этот словарь, чтобы расшифровывать голограммы и раскрывать заключенные в голографическом дуализме широчайшие возможности.

Возможно, самая первая словарная статья, которая понадобилась бы вам в словаре AdS – QFT, касалась бы, бесспорно, самого странного свойства этого дуализма: исчезающего измерения. Как частицы и поля, заключенные в пределах поверхности, могут тем не менее содержать в себе все, что происходит во глубинах внутреннего объема AdS? Каждый бит информации обо всем происходящем внутри AdS-вселенной должен каким-то образом оказаться закодированным в QFT – а иначе дуальность не была бы дуальностью. Так каким же образом квантовым теориям поля удается «поглощать» целое измерение?

Ключевое свойство AdS, которое имеет к этому отношение, состоит в том, что измерение его внутреннего пространства, перпендикулярное к граничной поверхности, очень искривлено. Приставка «анти-» в названии анти-де-ситтеровского пространства относится к тому факту, что AdS-пространство имеет отрицательную кривизну, – это значит, что сумма углов треугольника в этом пространстве меньше 180 градусов. (На имеющей положительную кривизну поверхности Земли или в пространстве де Ситтера сумма углов треугольника немного больше 180 градусов.) Отрицательная кривизна означает, что проекция AdS на плоскую поверхность производит антимеркаторский эффект: области вблизи границы выглядят слишком маленькими (в меркаторской проекции на картах Земли они, наоборот, слишком большие). Двумерный пространственный поперечный срез внутренности AdS, спроецированный на плоскую поверхность, выглядит очень похожим на знаменитое произведение М. К. Эшера Circle Limit IV – вырезанные на деревянном диске бесконечно повторяющиеся фигуры ангелов и демонов (см. рис. 55). В AdS-пространстве с истинной отрицательной кривизной все ангелы и демоны одного размера. Но в эшеровской плоской проекции фигуры становятся все меньше и меньше и накапливаются у круговой границы диска, постепенно исчезая в сходящейся к его краю бесконечной фрактальной структуре.

Если теперь вы представите, что спроецировали одного из ангелов (или демонов), изображенных на эшеровском диске, на круговую границу диска – ну, скажем, пусть этот ангел отбрасывает на границу тень в форме отрезка прямой, – то ясно, что этот отрезок будет гораздо короче, если ангел будет расположен вблизи края диска, чем если тот же ангел окажется глубоко внутри, ближе к центру. Именно так и работает голография: дуализм Малдасены переводит «глубину внутреннего пространства» AdS в «размер тени» на границе. Таким образом, самая первая словарная статья нашего AdS – QFT словаря гласит, что сжатие и растяжение в мире границы соответствуют движению в искривленной AdS-вселенной в направлении, перпендикулярном ее границе, – соответственно, по направлению к краю или удаляясь от него.

Рис. 55. М. К. Эшер, Circle Limit IV.

На деле у идеи, что в квантовых теориях поля масштабирование размеров предметов в сторону увеличения или уменьшения подобно движению в добавочном измерении, долгая история. В физике частиц размер тесно связан с энергией. Физики, занимающиеся исследованием частиц, просят строить ускорители все больших и больших размеров именно потому, что, увеличивая энергию столкновений частиц, мы можем тестировать законы природы на все меньших и меньших масштабах. Это все равно что купить более сильный микроскоп. Критическое значение имеет тот факт, что набор возбужденных состояний частиц и силовых взаимодействий, описываемый данной QFT, зависит от необходимой нам разрешающей способности по расстоянию. Состав частиц, который действует в этой QFT при низких энергиях или на больших пространственных масштабах, может очень сильно отличаться от частиц и сил, которые в той же теории выходят на первый план при высоких энергиях. Поэтому в квантовых теориях поля основной параметр размера – или, что эквивалентно, энергии – несет дополнительную информацию. В середине XX века физики разработали математический формализм, который точно описывает, как меняются свойства данной квантовой теории поля, когда мы изменяем масштаб энергий, на котором мы эту теорию используем. Дуализм Малдасены остроумно эксплуатирует это обстоятельство. Словарь AdS – QFT переводит абстрактное «энергетическое измерение» QFT в «искривленное пространственное измерение» теории гравитации.

Но что сказано в, несомненно, одной из самых увлекательных статей нашего словаря AdS – QFT – «Черная дыра»?

Через пару месяцев после выхода статьи Малдасены Виттен поместил черную дыру во внутренность AdS, применил теорию границы и посмотрел на получившуюся голограмму. Так как в мире границы нет тяготения – по крайней мере, в знакомом смысле, – то не следует ожидать, что голограмма черной дыры будет хоть как-то напоминать бездонную пропасть пространства-времени в эйнштейновской относительности. И в самом деле, сходства никакого нет. Когда Виттен исследовал дуальное описание черной дыры, он не обнаружил почти ничего, кроме роя горячих частиц. Голография трансформирует самые загадочные объекты во Вселенной в нечто весьма заурядное. Голографическая история жизненного цикла черных дыр, который оказалось так трудно понять на языке гравитации, выглядит чем-то вроде нагревания и последующего охлаждения плазмы из горячих кварков и глюонов – процесса, едва ли более экзотического, чем тот, который физики-экспериментаторы ежедневно воспроизводят в своих лабораториях, сталкивая друг с другом тяжелые ядра. Далее, тепловая энтропия горячего кваркового «супа» на граничной поверхности равна энтропии черной дыры во внутренности AdS, что, очевидно, является важным тестом голографического дуализма. Фактически, математическое наблюдение того, что энтропия черной дыры растет как площадь поверхности горизонта, в свете голографии нас больше не удивляет – ведь поверхность горизонта и кварковый «суп» существуют при одном и том же числе измерений.

Почти в виде сделанного задним числом дополнения, как бы примечания к словарной статье о черной дыре, Виттен отметил, что сделанное на граничной поверхности описание образования и испарения черных дыр согласуется с квантовой теорией. По-видимому, голографический дуализм и правда разрешил парадокс Хокинга. Причина этого в том, что волновые функции довольно ординарных скоплений частиц, составляющие дуальное описание черных дыр, согласно обычным квантовым правилам без учета гравитации эволюционируют гладким и сохраняющим информацию образом. Хотя квантовая динамика горячих кварков может искажать и трансформировать информацию, мы определенно знаем, что уничтожена информация не будет – в QFT даже не существует такой опции. Значит, по логике дуализма, вся информация, содержащаяся внутри испаряющихся черных дыр в AdS-вселенной должна в конечном счете утекать из них, «записываясь» в излучении Хокинга.

Вы, может быть, теперь подумали, что открытия Малдасены и Виттена заставили Стивена быстро изменить свои взгляды на судьбу информации внутри черных дыр. Ничего подобного.

Почему? Потому что аргументации Виттена оказалось недостаточно, чтобы завершить словарную статью «Информационный парадокс» в нашем словаре AdS – QFT. Основанное на дуализме утверждение Виттена, что все основные биты внутри коллапсирующей звезды в конечном счете выживают, в высшей степени формальное. Оно не объясняет, как именно информация переходит в изучение Хокинга. Дуализм говорит нам только, что это каким-то образом происходит. Если бы в конце 1998 года бесстрашный астронавт позвонил бы в Принстон, чтобы на всякий случай еще раз уточнить, сможет ли он выбраться из черной дыры, тамошние теоретики сказали бы ему: «Да, конечно, только ты выберешься оттуда очень помятым». Но если бы он нажал на них и спросил, каким именно образом он все же выберется, Виттену и его коллегам пришлось бы признать, что они этого не знают. C ранних лет голографической физики гравитационное описание выхода из старой испаряющейся черной дыры оставалось глубоко таинственным. Удивительный дуализм Малдасены успешно устранил все формальные противоречия между квантовой теорией и черными дырами, но он так и не смог пролить свет на вопрос, где именно Стивен допустил ошибку в своих исходных гравитационных вычислениях. Вполне понятно, поэтому, что Стивен, к чести своей, продолжал настаивать на разрешении парадокса в его собственных терминах: на описании способа выхода из черной дыры на языке гравитации и геометрии, на таком описании, которое не требовало бы от него слепой веры в дуальную магию.

Должно было пройти еще шесть лет, прежде чем Стивен наконец добился своего и публично объявил, что квантовая механика в присутствии черных дыр остается в безопасности. Сделал он это достаточно драматично, выбрав для своего выступления XVII Международную конференцию по общей относительности и гравитации, состоявшуюся в Дублине в июле 2004 года, – собрание того же рода, как и то, на котором в 1965 году он впервые представил свою теорему о сингулярности Большого взрыва. Когда Стивен отправил по электронной почте в оргкомитет конференции заявку, прося выделить в расписании время для сообщения, что «он решил информационный парадокс черной дыры», его просьбу не просто удовлетворили, но и зарезервировали для этого Большой концертный зал Королевского Общества в Дублине. И очень скоро устроители столкнулись с проблемой нехватки пропусков для прессы на, казалось бы, чисто научную лекцию.

Как обычно, конференция оказалась удобным предлогом для сбора большого клана студентов и бывших студентов Хокинга. Вечером накануне дня лекции Стивена мы зашли выпить в дублинский Temple Bar. Наслаждаясь редким моментом отдыха, Стивен усилил громкость своего синтезатора речи. «Это мой каминг-аут», – объявил он, широко улыбаясь. И действительно, на следующий день перед огромным залом, набитым необычной смесью физиков и журналистов, Хокинг рассказал, что черные дыры – не бездонные пропасти, как он думал когда-то. Перед тем как превратиться в излучение и исчезнуть, они выпускают наружу все, что можно узнать об их прошлом. На последовавшей за лекцией пресс-конференции Стивен заплатил свой проигрыш в пари, которое заключил когда-то с красноречивым физиком из Калтеха Джоном Прескиллом: в 1997 году тот поспорил со Стивеном и Кипом Торном, что вся информация из испаряющихся черных дыр в конечном счете утекает. По условиям пари «проигравший вручает победителю энциклопедию по выбору победителя, информация из которой может быть при желании восстановлена». Стивен вручил Джону экземпляр энциклопедии бейсбола – Total Baseball: The Ultimate Baseball Encyclopedia, – хоть и не удержался от замечания, что ему бы следовало скорее вручить оставшуюся от сжигания этой книги золу. Джон триумфально поднял энциклопедию над головой, как будто только что выиграл Кубок мира. Засверкали вспышки. Одно из этих фото вскоре появилось в журнале Time.

И все-таки представление, устроенное Стивеном в Дублине, получилось немного неловким. Мы, конечно, давно уже привыкли, что каждая его мысль о черных дырах начинала жить своей жизнью на публичной арене. Стивен всегда блестяще выступал перед мировой аудиторией, с детства был в курсе популярной культуры – для широкой публики он стал одним из величайших представителей науки нашего времени, вдохновляя миллионы людей во всем мире. Но дублинское выступление – это тот редкий случай, когда разделительная линия между публичным имиджем Стивена и его научной деятельностью размылась. Несмотря на ажиотаж, поднятый средствами массовой информации вокруг поворота во взглядах Стивена на черные дыры, ни его дублинская лекция, ни вышедшая затем статья на ту же тему, не смогли намного продвинуть вперед этот вопрос, не говоря уж о его решении. Большинство присутствовавших на конференции струнных теоретиков уже за шесть лет до того пришли к выводу, что черные дыры не уничтожают информацию; они сочли, что признание Стивеном своего поражения сильно запоздало. С другой стороны, релятивистов не поколебала трудная для понимания аргументация Стивена; им казалось, что он изменил свою точку зрения преждевременно. Среди последних был и Кип Торн, отказавшийся признать поражение в споре в Дублине; мне кажется, он его до сих пор так и не признал.

Стивен предпринял свою попытку разобраться с информационным парадоксом черной дыры, взяв в помощники своего тогдашнего студента, щеголеватого француза по имени Кристоф Гальфар. Тот имел счастье (или скорее несчастье) оказаться на пороге кабинета Стивена в «год черной дыры». Кристоф тоже понимал, что их вычисления шли не так гладко, как они со Стивеном предполагали; они скорее указывали на какие-то другие, более глубокие вопросы. Так почему же Стивен все-таки поднялся на сцену в Дублине и заявил, что информация в черных дырах не теряется? Почему он решил, что, несмотря на отсутствие твердых доказательств, весь объем фактов тем не менее указывает на сохранение информации? Думаю, он заметил в голографическом подходе смутный и недооцененный элемент, который, как он почувствовал, и был ключом к решению парадокса: что внутренних областей больше одной.

ХОКИНГ РАССКАЗАЛ, ЧТО ЧЕРНЫЕ ДЫРЫ – НЕ БЕЗДОННЫЕ ПРОПАСТИ, КАК ОН ДУМАЛ КОГДА-ТО. ПЕРЕД ТЕМ КАК ПРЕВРАТИТЬСЯ В ИЗЛУЧЕНИЕ И ИСЧЕЗНУТЬ, ОНИ ВЫПУСКАЮТ НАРУЖУ ВСЕ, ЧТО МОЖНО УЗНАТЬ ОБ ИХ ПРОШЛОМ.

Дело в том, что в поверхностной голограмме зашифрована не одна внутренняя область искривленной геометрии, но целый набор различных форм пространства-времени[190]. Голографический дуализм, по всей видимости, включает в себя то радикальное квантовое видение гравитации в духе Фейнмана, о котором я писал в предыдущей главе и который оказался критически важным для разрешения космологического информационного парадокса. Голографический подход подкрепляет эти идеи и предсказывает, что на некотором уровне гравитация включает в себя не одну геометрию пространства-времени, но их суперпозицию. Он заставляет нас думать о внутренней области AdS как о волновой функции, а не как о единичном пространстве-времени.

«В тот момент, когда мы говорим, что черная дыра описывается геометрией Шварцшильда, мы получаем проблему потери информации», – говорил Стивен в своем докладе в Дублине[191]. И продолжил: «Однако информация о точном состоянии сохраняется в другой геометрии. Путаница и парадокс возникли, потому что мы думали на классическом языке, в терминах единичного объективного пространства-времени. Но фейнмановская сумма по геометриям позволяет этому пространству иметь сразу обе геометрии».

Это слова нового Хокинга, который принял подход «сверху вниз».

В своем исходном выводе формулы излучения черных дыр Хокинг, придерживавшийся тогда ракурса «снизу вверх», предполагал (и очень разумно), что любое покидающее черную дыру излучение распространяется в искривленной геометрии пространства-времени черной дыры, описанной Карлом Шварцшильдом в 1916 году. Конечно, такое предположение исключает возможность, что в отдаленной перспективе в игру вступит совершенно новая форма пространства. Спустя тридцать лет Стивен увидел, что его тогдашняя логика была чересчур классической. Теперь он объявил, что когда черные дыры стареют, то, как ни удивительно, большая часть информации о дыре и о ее истории уже не хранится в исходной геометрии черной дыры, а находится в совершенно ином пространстве-времени. Таким образом, этот новый «нисходящий» Стивен признал – может, и с неохотой, кто знает, – что его молодое альтер эго, предположив, что пространство-время есть некая данность, ошиблось еще до начала вычислений.

Теперь, задним числом, ясно, что интуиция не обманула «нисходящего» Стивена: в дело вмешалась другая геометрия. Правильное квантовое мышление в терминах суммы по геометриям внутренней области вместо единичной геометрии в конечном счете оказалось ключевым для начала распутывания парадокса черной дыры. Противоречие в его дублинской лекции заключалось в том, что Стивен не определил, в какой искривленной форме может тогда храниться прошлое старой черной дыры. Он, в сущности, предположил (неверно), что для решения парадокса достаточно принять, что не было никакой черной дыры, с которой можно было бы начать.

Понадобится еще очень много работы в голографической лаборатории Малдасены и поисков выхода из множества тупиков, прежде чем теоретики наконец начнут нащупывать путь выхода из недр старой черной дыры. За годы, прошедшие после ухода Стивена, новое поколение физиков, изучающих черные дыры и съевших собаку в голографии, осознало, что, возможно, все дело в кротовых норах. Кротовые норы – экзотические пространственные формы, несколько напоминающие ручки; они действуют как геометрические мосты, соединяющие далеко отстоящие друг от друга места или моменты пространства-времени. Рис. 56 воспроизводит сделанный Уилером в 1955 году самый первый набросок кротовой норы; в то время он называл эту конфигурацию «множественно связанным пространством». Теперь, в 2019 году, Джефф Пенингтон, работающий в одиночку в Стэнфорде, и «струнный квартет» из Принстона и Санта-Барбары в составе Ахмеда Альмейри, Нетты Энгельгардт, Дональда Мэрольфа и Генри Максфилда нашли поразительное доказательство того, что где-то посредине процесса испарения черные дыры могут испытывать загадочное переустройство[192]. Их вычисления показали, что медленное, но неуклонное накопление излучаемых частиц может в конце концов активировать скрытую геометрию кротовой норы в фейнмановской суперпозиции, создав некоторый вид геометрического туннеля через будущую область горизонта. Это обеспечит канал, по которому информация изнутри сможет ускользнуть из черной дыры[193].

Считается, что излучение может выполнить эту необычную задачу благодаря одному тонкому квантовому явлению, называемому квантовой запутанностью. Вспомним, что излучение Хокинга возникает в квантовых вибрациях полей вблизи горизонта черных дыр.

Рис. 56. Первое схематическое представление о кротовой норе. Набросок сделан Джоном Уилером, который в 1957 году и пустил этот термин в оборот, чтобы описать туннели, соединяющие две удаленные точки, в геометрии пространства-времени. В последние годы теоретики предполагают, что кротовые норы могут обеспечить канал выхода информации из старой испаряющейся черной дыры.

Эти дрожания порождают пары частиц-античастиц. Когда античастица падает в черную дыру, ее частица-партнер может ускользнуть в далекую Вселенную, где и проявляется как испускаемое черной дырой излучение Хокинга. Однако, несмотря на разделяющее их расстояние, пары частиц и античастиц сохраняют квантовомеханическую связь друг с другом. Физики говорят, что частицы остаются «запутанными». Запутанность означает, что, если вы измеряете испущенное излучение само по себе, оно выглядит как случайное тепловое излучение. Но если бы мы смогли рассмотреть оба элемента пары поодиночке, мы увидели бы, что они все же содержат информацию, закодированную в тонких корреляциях, которые связывают их индивидуальные свойства. Это немного похоже на шифрование данных с помощью ключа. Зашифрованные данные без ключа не имеют смысла. Ключ сам по себе (если вы нашли правильный ключ) тоже ничего не значит. Но вместе они раскрывают информацию. Так вот, Пеннингтон и струнный квартет обнаружили – а многие теоретики с тех пор подробно уточнили, – что накопление за многие миллиарды лет все большей квантовой запутанности между внутренней и внешней областями испаряющейся черной дыры можно рассматривать как генерирование кротовой норы, проходящей через горизонт. Как будто частицы излучения Хокинга вместе со своими партнерами-античастицами за горизонтом сообща строят пространственно-временной мост, превращая старую черную дыру из закрытого царства во что-то вроде автокафе без выхода из машины.

Более того, квантовая запутанность оказывается ключом к тому, как вообще работают голограммы Малдасены. Это касается, возможно, и самой очевидной и в то же время самой глубокой словарной статьи в словаре AdS – QFT: гравитация и искривленное пространство-время есть возникающие явления. Годы исследований привели к выводу: для того чтобы в поверхностной голограмме закодировалась искривленная геометрия внутренней области, далеко не достаточно иметь граничную поверхность с огромным числом составляющих, имеющих вид частиц. Нет, искривленная внутренняя область возникает, только если квантовая запутанность связывает друг с другом многочисленные составляющие граничной поверхности. Поразительно, но квантовая запутанность оказывается центральной машиной, которая в голографической физике генерирует тяготение и искривленное пространство-время. Для Малдасены это то же самое, что свет лазера для обычной оптической голограммы.

Это удивительное откровение. Эйнштейн показал, что тяготение есть проявление искривленного пространства-времени. Голография идет дальше и постулирует, что искривленное пространство-время соткано из квантовой запутанности. Как второе начало термодинамики происходит из статистического поведения многих классических частиц или как звуковые волны объясняются синхронизированными колебаниями молекул, так голографический дуализм отражает представление, что эйнштейновская общая относительность обусловлена коллективной запутанностью мириад квантовых частиц, движущихся по граничной поверхности с более низким числом измерений. Соседствующие друг с другом области внутренней части AdS соответствуют сильно запутанным компонентам граничной поверхности; удаленные друг от друга части внутреннего пространства соответствуют менее запутанным частям границы. Если конфигурация поверхности имеет упорядоченную картину запутанности, образуется почти пустая внутренняя область. Если поверхность находится в хаотическом состоянии, и все ее составляющие запутаны друг с другом, внутренняя область содержит черную дыру. И если, надеясь прочесть историю черной дыры, мы выполним над запутанными кубитами исключительно сложную квантовую операцию, то, к своему изумлению, мы получим геометрию внутренней кротовой норы.

Во всем этом есть заметный элемент подхода «сверху вниз». На языке предыдущей главы мы могли бы сказать, что запутанные биты граничной поверхности выполняют функцию наблюдения. В рамках нисходящей космологии данные на поверхности наблюдения отбирают некоторую версию прошлого из океана возможных прошлых. Голография описывает это похожим образом: картины запутанности на сферической граничной поверхности определяют форму измерения внутренней области. Таким образом, и голография, и нисходящая космология демонстрируют разительный переворот обычного принятого в физике порядка вещей: искривленное пространство-время оказывается вторичным по отношению к «заданным вопросам» на некоторой граничной поверхности.

Сейчас нередки конференции по «квантовой гравитации в лаборатории», на которых теоретики гравитации и квантовые экспериментаторы обсуждают пути создания сильно запутанных квантовых систем из захваченных в ловушки атомов или ионов, копирующих некоторые свойства черных дыр. Экспериментируя с этими системами, мы надеемся узнать больше о том, какие именно картины запутанности лежат в основе искривленного пространства-времени и что происходит с геометрией, когда поддерживающая ее квантовая запутанность разрушается. Эти вопросы очень важны и интересны. Кто на заре голографической революции середины 1990-х мог бы представить, что на струнных конференциях 2020-х квантовые экспериментаторы будут читать лекции по упрощенным лабораторным моделям черных дыр?

Как жаль, что Стивен не дожил до этих восхитительных новых открытий и не может им порадоваться! Он бы, конечно, пришел в восторг, увидев, как в испаряющихся черных дырах возникают кротовые норы – неуловимые каналы, по которым ускользает информация. Мы можем только догадываться, какой краткий и убийственный по остроумию афоризм он бы выдал по этому поводу. Думаю, Стивен был бы точно так же восхищен, увидев еще один уровень связи между нашим пониманием черных дыр и ранней Вселенной, – ведь эти две темы всегда были в центре его интересов. На всем протяжении его жизни как исследователя прорывы в области черных дыр обычно давали пищу его очередным работам по космологии – от теоремы Пенроуза о сингулярности черной дыры до его собственного открытия излучения Хокинга. Пришествие голографии привело к еще более тесным взаимосвязям между обоими направлениями: к таким космологическим озарениям, как подход «сверху вниз», который мы начали развивать в 2002 году и который вдохновил его работу по черным дырам в 2004-м.

При всем этом, однако, некоторые струнные теоретики немного растеряны недавними достижениями квантовой теории черных дыр. Они всегда надеялись, что разрешение информационного парадокса черной дыры приведет к замене предложенной Хокингом причудливой полуклассической смеси геометрий чем-то совершенно иным. А вместо этого вышло, что мы должны принимать хокинговскую суперпозицию геометрий всерьез и что результаты этого подхода к квантовой гравитации, когда мы действительно принимаем его всерьез, превосходят все ожидания (кроме, конечно, ожиданий самого Хокинга, которые всегда были недостижимо высокими). И хотя очень многое еще надо узнать, прежде чем мы сможем восстановить историю черной дыры из ее пепла – из излучения Хокинга, – все же многие теоретики ныне уверены, что реального парадокса больше нет. Более того, я смею утверждать, что этот шаг – переход от единичного пространства-времени к возникающим пространствам-временам – есть действительно нечто совершенно новое, что имеет поистине фундаментальное значение.

Начнем с того, что этот сдвиг означает конец старой редукционистской мечты в фундаментальной физике. Редукционизм – исключительно плодотворная идея, состоящая в том, что в науке стрела объяснений всегда направлена сверху вниз, в направлении более низких уровней сложности. Согласно этому воззрению на всех этажах в многоуровневой башне науки, в физике, химии, биологии, явления, происходящие на более высоких уровнях, могут в принципе быть объяснены через явления на уровнях более низких. Редукционизм не означает, что объяснения через переход на более низкий уровень нужны и полезны всегда; на практике они могут даже оказаться вообще недостижимыми. Редукционистский подход не конфликтует и с возникновением новых явлений и «законов» на более высоких уровнях сложности. Все, чего требует редукционизм, – это чтобы законы более высокого уровня не были отделены от их находящихся на более низких уровнях корней. Мы можем качественно объяснить биологические явления в терминах химии, а химические явления – в терминах физики. И будь у нас достаточно мощные компьютеры, позволяющие моделировать сложные биологические системы на микроскопическом уровне молекулярной химии, мы вполне могли бы увидеть, как именно формируется их биологическое поведение.

Но как же быть с самым низким уровнем фундаментальных физических законов? Является ли он абсолютной структурой, непоколебимым гранитным фундаментом, на котором зиждется башня науки со всеми ее более высокими этажами? Голография рисует нам совсем другую картину. Если запутанность – это призрачное явление, которое, как известно, не давало спать Эйнштейну, – и за исследования, связанные с которым, в 2022 году присуждена Нобелевская премия по физике, – является центральным пунктом в строении пространства-времени, то схема «редукционизм против эмерджентности»[194], пожалуй, кажется слишком ограниченным способом видения мира. Голография вводит фундаментальный элемент эмерджентности – возникновения новых свойств – в корни физики, в самую ткань пространства-времени. Голографический дуализм воплощает взгляд, в соответствии с которым физическая реальность и «фундаментальные» законы, которым она подчиняется, возникают из слияния основных строительных кирпичиков материи и способа, которым эти кирпичики запутываются друг с другом. Так возникает некая замкнутая петля взаимозависимостей, которая охватывает всю последовательность: от редукции до возникновения и обратно. Голография утверждает, что даже самые элементарные регулярные закономерности в конечном счете основываются на всей сложности Вселенной вокруг нас. И это подводит нас к вопросу: в чем космологическое значение этого вывода?

После открытия Малдасеной голографической природы анти-де-ситтеровского пространства теоретики быстро сообразили, что и наша расширяющаяся Вселенная тоже может быть голограммой. В блокнотах, куда я записывал некоторые из разговоров со Стивеном, я нахожу относящиеся еще к февралю 1999 года размышления о возможном описании расширяющегося пространства де Ситтера в терминах поверхности. Но только спустя десять лет, когда мы окончательно утвердились в нашем подходе «сверху вниз», мы начали серьезно разрабатывать идею голографической космологии.

К несчастью, к тому времени Стивен стал терять тот слабый контроль над своей мускулатурой, который ему чудесным образом удавалось сохранять на протяжении стольких лет болезни[195]. При этом заболевании, по еще не вполне понятным причинам, длинные нервные клетки, передающие электрохимические сигналы от мозга к позвоночнику и от позвоночника мускулам, истощаются и умирают. Это приводит к атрофии мышц. Ко времени, о котором я пишу, болезнь почти полностью лишила Стивена возможности управлять своими мускулами. Понятно, что это очень серьезно ограничивало его свободу движений. На ранних стадиях нашего сотрудничества Стивен легко мог управлять своим креслом на колесах; он раскатывал по факультету в поисках тех, кто был ему нужен, и, осторожно сжимая в правой руке кликер, вступал в разговоры. Теперь Стивен больше не мог ездить на кресле без посторонней помощи; на практике это значило, что его научное общение ограничивалось гораздо более узким кругом близких сотрудников. Больше того, развитие болезни сделало для Стивена непосильным управление «Эквалайзером» при помощи кликера. Это старомодное устройство, соединительная пуповина, столько лет связывавшая его с внешним миром, позволяя ему разговаривать, отправлять электронную почту, звонить по телефону или гуглить, теперь было заменено сенсором, вмонтированным в оправу его очков, – он мог активировать его слабым подергиванием щекой. Новое устройство оставалось жизненно важной линией связи, но оно не могло вернуть Стивену возможности перемещаться или даже, к примеру, разговаривать за обедом – а ведь совместные застолья были раньше основным местом, где он мог обмениваться мыслями с более широким кругом коллег. (Во времена кликера Стивен любил шутить, что он способен есть и разговаривать одновременно.) Поэтому Стивен постоянно рисковал остаться в изоляции. Пожалуй, именно невозможность обычного беглого общения и была самым большим ограничением в последние годы его жизни как ученого. Он не мог больше полноценно участвовать в жарких спорах обо всем – от минуса в уравнении до особенностей философии, – которые всем нам необходимы, чтобы совершенствовать и тестировать наши мысли. И хотя умственные способности Стивена оставались прежними, на протяжении примерно десяти последних лет своей жизни он был, по крайней мере время от времени, почти полностью заперт в четырех стенах.

Что было еще хуже, ему стало трудно дышать, и все мы боялись, что вскоре он вообще не сможет больше двигаться. Но потом его служба поддержки вмонтировала в кресло вентилятор, и в результате оно сделалось некой комбинацией мобильного блока реанимации и центра IT-технологий. Вскоре Стивен опять окунулся в работу. К тому же его влиятельные друзья предоставили в его распоряжение свои реактивные самолеты, что позволяло ему летать по всему земному шару; теперь путешествовать ему стало гораздо удобнее по сравнению с нашими былыми экспедициями. Часто Стивен отправлялся в Хьюстон – он подружился с техасским нефтяным магнатом Джорджем П. Митчеллом, который регулярно приглашал Хокинга и весь круг его близких коллег на ежегодный физический выездной семинар, проводимый на ранчо, чтобы «создать обстановку, в которой Стивен мог бы работать». Именно это Стивен там и делал. Каждый год я видел, как среди техасских лесов, вдалеке от шума и суеты его кембриджской штаб-квартиры, неугомонный исследовательский дух Хокинга снова и снова оживал. Там, на ранчо Митчелла, где семинары у доски незаметно переходили в ужин и споры у костра, и родилась у Стивена его голографическая теория Вселенной.

Первое препятствие к тому, чтобы применить голографию к космологии, заключается в том, что мы не живем в анти-де-ситтеровском «мире снежного шара». Мы живем в расширяющейся Вселенной, больше похожей на пространство де Ситтера. С классической точки зрения, AdS и его де-ситтеровский антипод имеют совершенно различные свойства. Отрицательная кривизна AdS-пространства создает гравитационное поле, которое стягивает объекты вместе, по направлению к центру пространства. В противоположность этому положительная кривизна расширяющейся вселенной де Ситтера заставляет отталкивать все остальное. Это различие можно приписать знаку космологической постоянной λ – она же «член темной энергии» в уравнении Эйнштейна. Во вселенной вроде нашей значение λ положительно, и это заставляет вселенную растягиваться, тогда как в AdS-пространстве λ отрицательна, что ведет к добавочному притяжению. Больше того, в отличие от AdS, расширяющиеся вселенные могут даже не иметь граничной поверхности, которая могла бы служить носителем голограммы. Некоторые расширяющиеся вселенные – гиперсферические трехмерные версии сферы. У гиперсфер нет границы, на которой мы могли бы надеяться закодировать то, что происходит внутри. Поэтому похоже, что практически невозможно сконструировать что-то вроде голографической дуальности Малдасены.

А что, если мы отбросим классическое мышление и примем полуклассическую точку зрения? Что, если мы представим AdS и его антипод во мнимом времени? В конце концов, принципиальная мотивация для построения голографической космологии в том, чтобы лучше разобраться в квантовом поведении Вселенной. Стивен тоже долго придерживался мысли, что геометрии с четырьмя пространственными измерениями заключают в себе те же квантовые свойства. В этом и был смысл его евклидова подхода к квантовой гравитации (см. главу 3). Помните круг, который он попросил меня нарисовать в больнице (см. рис. 25)? Этот круг представлял край диска, который получается, если спроецировать на плоскость квантовую эволюцию круговой раздувающейся вселенной, показанной на рис. 23 (b). Рис. 57 воспроизводит эту проекцию более сложным образом. Не имеющее границы начало вселенной лежит в центре диска, где время превратилось в пространство. Сегодняшняя Вселенная соответствует круговой границе. Если бы я мог нарисовать все четыре главных измерения, одномерный граничный кружок на рис. 57 был бы гиперсферой, а именно трехмерной поверхностью в четырехмерном пространстве-времени, в котором, грубо говоря, и заключены все наши наблюдения Вселенной. Далее, мы видим, что на этой плоской проекции расширение означает, что большая часть объема пространства-времени, составляющего наше прошлое, сжимается в направлении края диска. Вследствие этого огромное большинство звезд и галактик скапливается вблизи граничной поверхности. Ничего не напоминает? Ага! Заменим звезды и галактики ангелами и демонами – и диск на рис. 57 легко трансформируется в подобную картине Эшера проекцию AdS-пространства, изображенную на рис. 55.

Это именно та связь, которую искал Стивен. Классическое AdS-пространство нисколько не похоже на расширяющуюся вселенную. Но в полуклассической перспективе, переходя во мнимое время, мы видим, что эти две формы пространства фактически тесно связаны. В полуклассическом мире и AdS, и его де-ситтеровский антипод могут мыслиться как эшеровские диски: большая часть их внутренних объемов скопилась вблизи сферической граничной поверхности. Полуклассический подход к гравитации и пространству-времени в некотором смысле унифицирует AdS и его антипод, полагал Стивен. Дело обстоит так, как будто знак константы λ в мире квантовой гравитации не имеет никакого реального значения.

Рис. 57. Чтобы описать квантовое происхождение Вселенной, ранний Стивен, еще в 1980-х, представлял ее во мнимом времени. При переходе во мнимое время все измерения ведут себя как направления пространства; два из них показаны на рисунке. Начало Вселенной лежит в центре диска; Вселенная расширяется наружу в радиальном направлении (в направлении мнимого времени). Сегодняшняя Вселенная соответствует круговой границе. Поздний Стивен, однако, пошел гораздо, гораздо дальше – от мнимого времени к отсутствию времени вообще. Используя голографические свойства гравитации, мы приходим к тому, что видим границу диска как голограмму из запутанных кубитов, из которых внутреннее пространство-время – наша прошлая история – проецируется вниз. В голографическую космологию встроен взгляд «сверху вниз», в котором прошлое в некотором смысле зависит от настоящего.

Это понимание открывает дорогу к голографическому dS – QFT дуализму. Так же, как круговая граничная поверхность на рис. 57 содержит AdS, она естественно вмещает и голографическое описание расширяющейся вселенной. При таких сходных чертах дуальные поля и частицы, живущие в этой поверхности, могут разделять довольно многие свойства с AdS голограммами[196]. Физики сейчас напряженно работают над пониманием того, как именно, регулируя и подгоняя разные детали голографических поверхностных миров, мы можем генерировать из них как безжизненное AdS-пространство, так и вселенную, которая раздувается от инфляции и порождает галактики и жизнь. В конце концов, может, у Вселенной и есть граница, посмеивался Стивен.

Главное различие между голограммами, отражающими внутренние пространства AdS и те, что принадлежат вселенным с инфляцией, заключается в природе возникающего добавочного измерения. В первом случае возникающее направление есть криволинейное измерение пространства. Это глубина внутренней области AdS. В случае расширяющейся вселенной возникает временное измерение. То есть сама история голографически зашифрована. И это, возможно, самая сногсшибательная словарная статья во всем нашем голографическом словаре!

Сначала это, возможно, звучит просто шокирующе. Однако представление о том, что время и космологическое расширение есть возникающие свойства вселенной, естественно следует из череды озарений, с которыми мы столкнулись в нашем путешествии. Когда Жорж Леметр впервые высказал идею квантового рождения, он уже догадывался, что время может возникать: «Время начало бы иметь разумное значение после того, как исходный квант разделился на достаточное число квантов»[197]. Спустя пятьдесят лет данное Джимом и Стивеном описание при условии отсутствия границы дало обоснование интуитивной догадке Леметра: она совпала с их идеей, что по мере нашего приближения к началу время переходит в пространство. Голографическое воплощение теории Джема и Стивена, иллюстрируемое рис. 57, уводит нас еще дальше в мир отсутствия времени. Связывая гравитацию и космологическую эволюцию с множеством квантовых взаимодействий, заключенных в трехмерной поверхности, голография и вовсе расстается с первичным понятием времени. В голографической вселенной время было бы в некотором смысле иллюзией. В этом свете исходное предложение об отсутствии границы выглядит и правда довольно консервативным.

Замечательное получилось путешествие, от ньютонова абсолютного времени к времени без времени. Правда, думать о течении времени как о голографической проекции все же немного непривычно, даже для физиков-теоретиков. Я полагаю, пройдет еще очень много лет, прежде чем физики научатся расшифровывать голограммы, в которых закодированы зыбкие истории расширения колеблющихся в нерешительности вселенных вроде нашей. Бесчисленные запутанные математические тонкости, в высшей степени интересные сами по себе, не дадут физикам скучать еще очень и очень долго. И не стоит рассчитывать на то, что скоро в один прекрасный день голография потребует от нас переписать учебники по стандартной космологии. Не стоит забывать, что геометрический язык теории Эйнштейна идеален для описания большей части крупномасштабной Вселенной. С другой стороны, мы можем рассчитывать, что голография приобретет первостепенную важность там, где теория Эйнштейна не срабатывает – внутри черных дыр, и особенно в описании Большого взрыва. В конце концов, в этом природа – и сила – голографических дуальностей. Особенно волнующая возможность заключается в том, что голографическая подоплека расширения Вселенной может оказаться критически важной в ходе инфляции и что тончайшие отпечатки этого в флуктуациях микроволнового фона могут быть зарегистрированы в будущих гравитационно-волновых наблюдениях. Время покажет!

На концептуальном уровне голография прививает космологии подход «сверху вниз». Центральное положение голографической космологии – что прошлое проецируется из паутины запутанных квантовых частиц, формирующих голограмму с меньшим числом измерений, – подразумевает взгляд на Вселенную «сверху вниз». Если, как утверждает голографическая космология, поверхность наших измерений представляет в некотором смысле все сущее, то в этом утверждении уже содержится представление о действии, направленном против хода времени, – в чем и состоит главный пункт «нисходящей космологии». Голография говорит нам, что есть сущность более основная, чем время, – голограмма, из которой появляется прошлое. В концепции голографической вселенной эволюционирующая и расширяющаяся вселенная – это выходные, а не входные данные.

В полуклассическом подходе Стивена к квантовой космологии три опоры нисходящей триады – истории, генезис и наблюдение – были сплетены не слишком крепко. И хотя между всеми тремя этими элементами шло тесное взаимодействие, они все же оставались концептуально различными сущностями. Вследствие этого появлялись сомнения насчет того, могут ли эти три составляющие на самом деле слиться – и даже надо ли вообще их сливать? И вправду ли нисходящий подход представляет собой настолько фундаментальную смену ракурса, как это провозглашал Стивен? Но вся архитектура голографической космологии доказывает правоту Хокинга. Голография связывает нисходящую триаду в единый узел, образующий совершенно новую основу для предсказаний. Во-первых, удаляя время из нашего списка фундаментальных параметров, она сплавляет динамику с граничными условиями. Во-вторых, отдавая голографическому запутыванию приоритет перед пространством-временем, она подключает и наблюдение. И более того, математический аппарат голографической космологии заключает весь этот синтез в единое унифицированное уравнение, предварительную версию которого можно различить на доске позади Стивена (см. рис. 11 на вклейке). Все это ставит нисходящее мышление на более твердую почву.

В самое сердце туже сплетенной триады голография с ее акцентом на запутанности помещает способность систем хранить и перерабатывать информацию. С точки зрения голографии физическая реальность состоит не только из реальных вещей, вроде частиц вещества и излучения или даже поля пространства-времени; она включает в себя и гораздо более абстрактную сущность: квантовую информацию. Это обстоятельство вдыхает новую жизнь в еще одну из дерзких и на первый взгляд слишком искусственных и заумных идей Уилера. Ему ведь тоже нравилось думать о физической реальности как о некоторой теоретико-информационной сущности – эту идею он выразил в афоризме It from bit[198]. Он придерживался того мнения, что физический мир в конечном счете обязан своим существованием битам информации, которая формирует ни к чему не сводимое ядро в самом сердце реальности. «Каждый физический объект, каждое it, – писал он, – выводит свое значение из “битов”, двоичных единиц информации типа “да/нет”»[199]. Спустя тридцать лет голография сделала провидение Уилера реальностью с помощью кубитов, основных единиц квантовой информации (завернув их, правда, в несколько еще не развернутых слоев безумия). В соответствии с dS – QFT дуализмом квантовая информация, записанная в абстрактной вневременной голограмме запутанных кубитов, и образует нить, из которой соткана реальность. Если вы уберете запутанность на граничной поверхности, ваша внутренняя область тут же рассыплется.

В отличие от двоичных битов обычной информации, которые могут быть нулями или единицами, кубиты состоят из квантовых частиц, которые могут быть в одно и то же время в суперпозиции нуля и единицы. Когда индивидуальные кубиты взаимодействуют, их возможные состояния становятся запутанными, и шансы каждого из них получить значение нуля и единицы прямо зависят от шансов всех остальных. Их запутанность означает, что, если бы вы измерили состояния некоторых кубитов, вы также могли бы что-то узнать об их запутанных партнерах, даже когда эти партнеры находятся далеко. Очевидно, что запутанность большего и большего числа кубитов экспоненциально увеличивает число одновременных возможностей – это-то и делает квантовые компьютеры теоретически такими мощными. Распределенный характер хранения информации при квантовой запутанности помогает компенсировать тот факт, что индивидуальные кубиты исключительно уязвимы для ошибок, – это составляет главную трудность при построении квантовых компьютеров. Самые слабые магнитные поля или электромагнитные импульсы могут заставить кубиты переворачиваться и сорвать вычисления. Поэтому квантовые инженеры предпочитают работать с пространственно распределенными, запутанными кубитами; они разрабатывают специальные схемы на основе взаимозаменяемости, чтобы защитить квантовую информацию от потери, даже когда индивидуальные кубиты повреждены. По сути, одно из основных направлений в гонке «кто быстрее построит квантовый компьютер» – это составление исправляющих ошибки программ, способных справиться с обескураживающе высоким процентом ошибок в физических кубитах.

А ведь это и правда впечатляющий поворот событий – что, пока суд да дело, после голографической революции, охватившей теоретическую физику, струнные теоретики начали разрабатывать свои собственные квантовые программы исправления ошибок – чтобы конструировать пространство-время! На деле способ, которым внутреннее пространство-время проецируется в голографические дуальности, довольно сильно напоминает высокоэффективную квантовую программу исправления ошибок. Это обстоятельство могло бы объяснить, как пространство-время приобретает присущую ему устойчивость, даром что оно соткано из столь хрупких и ненадежных квантовых материй. Некоторые теоретики зашли так далеко, что даже предположили: пространство-время и есть квантовая программа. Они представляют голограмму с более низким числом измерений как некий вид исходной программы, действующей в огромной сети взаимосвязанных квантовых частиц, обрабатывающей информацию и в ходе этого генерирующей тяготение и все остальные знакомые нам физические явления. С их точки зрения Вселенная есть разновидность процессора, обрабатывающего квантовую информацию. Такое видение мира на волосок от идеи, что мы «живем в симуляции».

Голография рисует нам Вселенную, находящуюся в процессе непрерывного творения. Как если бы существовала программа, действующая на бесчисленных запутанных кубитах, которая реализует и обуславливает физическую реальность; и именно эту реальность мы и воспринимаем как течение времени. В этом смысле голография помещает истинное начало Вселенной в отдаленное будущее – ведь только далекое будущее могло бы раскрыть нам эту голограмму во всем ее великолепии.

А как с далеким прошлым? Как вневременная космология представляет себе происхождение времени? Вообразим, что завтрашние теоретики идентифицировали голограмму, которая соответствует нашей расширяющейся Вселенной, и мы вот-вот прочтем ее с AdS – QFT словарем в руках, путешествуя назад во времени. Что бы мы нашли, пройдя весь этот путь и опустившись на самое дно пространства-времени?

Мы отправляемся в прошлое голографической космологии, вооружившись чем-то вроде размытой голограммы. Это вроде обратного зума, постепенного уменьшения размеров. Вспомним, что в дуализме Малдасены мы движемся глубже во внутреннюю область AdS, рассматривая все более крупный масштаб на поверхностной голограмме. Объекты, расположенные в самом центре AdS, голографически закодированы как дальние корреляции поперек всей голограммы. Похожим образом голограмма расширяющейся Вселенной записывает далекое прошлое в кубиты, разнесенные на огромные расстояния в поверхностном мире. Мы движемся все дальше в прошлое – по направлению к центру диска на рис. 57, – снимая, как шелуху, на голограмме слой информации за слоем, пока у нас не остается только несколько далеко разбросанных запутанных кубитов. С голографической точки зрения, самые ранние моменты Вселенной определенно самые жуткие из всех. Наконец, у нас заканчиваются запутанные биты. Это, выходит, и было бы начало времени[200].

Ранний Хокинг (пользовавшийся подходом «снизу вверх») представлял предложение об отсутствии границы как описание создания Вселенной из ничего. В те дни он стремился дать фундаментальное причинное объяснение происхождения Вселенной: «почему», а не «как». Но голография дает более радикальную интерпретацию его теории. Голографическая космология показывает, что придуманный Стивеном переход «время-превращается-в-пространство» на деле пытается нам сказать: сама физика исчезает, когда мы возвращаемся внутрь Большого взрыва. Гипотеза об отсутствии границы возникает из голографии не столько как закон начала Вселенной, сколько как начало закона. Что же тогда остается от вечного вопроса об первопричине Большого взрыва? Он, похоже, испаряется. Последнее слово будет принадлежать не законам как таковым, но их способности меняться и преобразовываться.

Представление о космогенезе как истинно ограничивающем пределе, который возникает из голографической космологии, имеет далекоидущие последствия и для космологии мультивселенной. Ни в одной из голограмм, когда-либо полученных физиками, нет никаких свидетельств существования мозаики островных вселенных. Напротив, голографически закодированные волновые функции внутренних областей, оказывается, охватывают лишь очень малый участок струнного ландшафта. «Голографическая космология отрезает мультивселенную, как бритва Оккама», – заключил Стивен[201]. В последние несколько лет своей жизни он был твердо убежден, что вся эта суматоха вокруг мультивселенной была просто артефактом «классического мышления “снизу вверх”, завязывающего самое себя в узлы».

Во многих отношениях мультивселенная – это космологический аналог (полу)классической теории черных дыр. Последняя упускает из виду, что существует верхний предел количества информации, которое может быть заключено в черных дырах. Похожим образом космология мультивселенной предполагает, что наши космологические теории могут содержать произвольно большое количество информации без того, чтобы повлиять на космос, который они описывают. Но голографическая космология рисует совершенно иную картину. В ней космическое лоскутное покрывало островных вселенных, растянувшееся во все уголки ландшафта теории струн, теряется в океане неопределенности. Этот ландшафт лучше представлять не реальной физической сверхструктурой, а математической областью, которая может делиться с физикой информацией, но не нуждается в существовании как таковая, – нечто вроде того, чем может быть таблица Менделеева для биологии. «Спрашивать, что лежит вне нашей собственной Вселенной, было бы все равно, что спрашивать, через какую щель проходит электрон в эксперименте с двумя щелями», – сказал об этом Стивен. Мы живем на лоскутке пространства-времени, окруженном океаном неопределенности, о котором мы – ну, скажем, должны хранить молчание.

Уже к концу наших странствий на одной конференции я столкнулся с Андреем Линде и спросил его, что теперь, спустя двадцать лет, он думает о мультивселенной. К моему удивлению, Андрей сказал, что, по его мнению, для того чтобы понять идею мультивселенной, необходимо принять правильный квантовый взгляд на роль наблюдателей в космологии. Думал ли он об этом все время, с тех пор как пришел к этой идее? Конечно, нет. Наука – это то, что делают ученые. Мы продвигаемся вперед, обмениваясь идеями, споря и убеждая, основываясь на имеющихся фактах и абстракциях. Со времен Ньютона, чтобы более отчетливо сосредоточиться на ограничениях общепринятой в физике парадигмы, требовалось осознать глубокие парадоксы мультивселенной. Работа Андрея вдохновила нас на то, чтобы найти в этой идее ту самую трещину, которая и потребовала привлечения квантов. Не будь тех исключительно болезненных и трудных загадок, которые поставила перед нами теория мультивселенной, мы, вероятно, все еще оставались на том же месте, в поисках «взгляда ниоткуда», потерянные и растерянные, в пустоте вне пространства и времени.

ГОЛОГРАФИЧЕСКАЯ КОСМОЛОГИЯ ПОКАЗЫВАЕТ, ЧТО ПРИДУМАННЫЙ СТИВЕНОМ ПЕРЕХОД «ВРЕМЯ- ПРЕВРАЩАЕТСЯ-В-ПРОСТРАНСТВО» НА ДЕЛЕ ПЫТАЕТСЯ НАМ СКАЗАТЬ: САМА ФИЗИКА ИСЧЕЗАЕТ, КОГДА МЫ ВОЗВРАЩАЕМСЯ ВНУТРЬ БОЛЬШОГО ВЗРЫВА.

О вызове, брошенном нами теории мультивселенной, Стивен впервые рассказал в ноябре 2016 года на конференции по космологии, которое Папская Академия наук устроила в память Жоржа Леметра. Меня вовсе не удивило, когда Стивен сообщил, что очень хочет принять участие в этой конференции. В конце концов, именно в Ватикане в 1981 году он впервые предположил, что у Вселенной нет границы. Перевернув тогда историю Вселенной вверх тормашками и вывернув ее наизнанку, он, вероятно, чувствовал, что должен дать академии отчет о предмете, который принимал так близко к сердцу много лет.

Это было последней заграничной поездкой Стивена, и она стала нелегким испытанием. Врачи больше не разрешали ему летать на реактивных самолетах приятелей. Пришлось пользоваться чем-то вроде специально оборудованного воздушного реанимационного отделения, и не просто какого-то, а подготовленного специальной швейцарской службой. Это стоило дорого, и так как Папская Академия таких расходов позволить себе не могла, нам пришлось искать способы оплатить полет из средств наших исследовательских грантов, которых обычно хватало только на экономический класс. Когда врачи отказались санкционировать и этот вариант, Стивен сообщил им, что запланирована его встреча с папой Франциском. Кончилось тем, что они не захотели портить отношения с высшими силами (хотя, имея дело со Стивеном, можно было заподозрить все что угодно), и Стивен смог вылететь в Рим.

Так и случилось, что спустя тридцать пять лет после своего первого выступления в Ватикане Стивен снова оказался в зале Папской Академии, позади базилики Св. Петра. И он рассказал о дуальном описании космоса, о совершенно новом и глубоко контринтуитивном взгляде на реальность, взгляде, согласно которому расширение пространства – да и само время – предстает открыто возникающим у нас на глазах явлением, сотканным из мириад квантовых нитей, которые образуют вневременной мир, лежащий на поверхности с более низким числом измерений. В конце концов, Вселенная может иметь границу[202].

За несколько недель до его кончины я навестил Стивена. Он уже почти не мог двигаться, но был окружен лучшим возможным уходом. Он знал, что скоро умрет. В его кабинете на Вордсворт Гроув мы в последний раз поговорили.

«Я никогда не был поклонником идеи мультивселенной, – с трудом составлял он фразу. Как будто я раньше об этом не знал… – Пора писать новую книгу… включить туда голографию».

Это были его последние сказанные мне слова. Последняя задача для обдумывания дома.

Думаю, Стивен чувствовал: новое голографическое видение Вселенной в конечном счете сделает наш нисходящий – «сверху вниз» – подход к космологии очевидным для всех. И однажды мы удивимся тому, как можно было так долго его не замечать.

Валил снег, будто природа хотела укрыть Стивена потеплее перед его последним путешествием. Возвращаясь пешком по знакомым улицам Кембриджа в колледж, в старое здание DAMTP, я думал о нашем странствии. В наших поисках конечных оснований реальности какая-то любопытная петля взаимосвязей привела нас обратно, к нашим собственным наблюдениям. Я вспомнил знаменитые слова Карла Сагана: «Мы – способ, которым Вселенная познает себя». А мне кажется, что в квантовой Вселенной – в нашей Вселенной – мы постепенно познаем сами себя. Нисходящая космология, в ее голографической форме или нет, основана на наших взаимоотношениях со Вселенной. В ней есть неуловимый человеческий аспект. И во многих ситуациях у меня появляется сильное ощущение, что, переключаясь в своем видении космоса с «точки зрения Бога» на «точку зрения червя», я будто снова оказываюсь дома у Стивена Хокинга.

Рис. 58. За работой над нашей окончательной теорией с Джимом Хартлом в Кукс Бранч, Техас.

Глава 8

Дома во Вселенной

Ткань существования сплетает себя в целое.

Чарльз Айвз

В 1963 году Ханна Арендт приняла участие в конкурсе эссе, который состоялся в рамках симпозиума по космосу, организованного издателями ежегодника Great Ideas Today. Это было вскоре после первых полетов человека в космос; в это же время NASA планировало запуск лунной миссии «Аполлон-11». Перед Арендт был поставлен вопрос: увеличило или уменьшило значение человека покорение им космоса? Ответ был вроде как очевидным – конечно же да, значение человека выросло. Арендт, однако, не спешила присоединиться к этому мнению.

В своем эссе «Покорение космоса и статус человека» она размышляет, как наука и техника преобразуют представление о том, что значит быть человеком[203]. В центре ее концепции гуманизма лежит идея свободы. Свобода действовать и быть значимым, говорит она, и есть то, что позволяет нам быть людьми[204]. И Арендт переходит к раздумьям о том, оказывается ли свобода человека под угрозой, когда мы настойчиво ищем способы преобразования мира и управления им – начиная с нашей физической окружающей среды и мира живых организмов и заканчивая природой разума.

Ханна Арендт родилась в 1906 году в Ганновере, в немецко-еврейской семье. Она училась в Марбургском университете у Мартина Хайдеггера, но, как и Эйнштейн, в 1933 году вынуждена была бежать из Германии. Так она из первых рук получила урок того, как грубо может быть ограничена человеческая свобода и достоинство. Восемь лет она жила в Париже, потом, в 1941 году, эмигрировала в Соединенные Штаты, где влилась в бурную интеллектуальную жизнь Нью-Йорка. Позже, в своих публиковавшихся в журнале The New Yorker репортажах о суде над военным преступником Адольфом Эйхманом в Иерусалиме, она высказала знаменитую (по мнению многих – печально знаменитую) мысль: обычные люди становятся благодушными соучастниками зла, творимого в тоталитарных системах, потому что перестают мыслить свободно (или даже вообще перестают думать), тем самым исключая себя из мира. В общественно-политической сфере она приписала появление таких крайностей социальному разъеданию сознания, вызываемому тем, что она назвала отчуждением от мира: потерей чувства принадлежности к миру, потерей осознания общности и связи всех людей, потерей чувства, что существуют тождественность с человечеством и гражданская позиция, вытекающая из этой связи.

Арендт остро ощущала, что разобщенность человека с миром уходит корнями в современную науку и технику. В сущности, она нашла главного виновника отчуждения, указав на центральную идею, которая привела к современной научной революции, – идею объективности мира. С самого момента своего зарождения современная наука ищет высшую истину, управляемую рациональными и универсальными законами. В погоне за всем этим ученые стали жертвой того, что Арендт назвала отчуждением от Земли (не путать с отчуждением от мира), – поиска архимедовой точки опоры, встав на которую, можно надеяться это объективное понимание найти.

Центральным тезисом Арендт стало признание этой позиции противоположной гуманизму. Конечно же, научный подход оказался феноменально успешным как в теоретическом, так и в практическом отношении; пользу, которую он принес человечеству, невозможно отрицать. Но отход от наших земных корней, который сделался отличительным признаком современной науки, привел также и к появлению пропасти между нашими человеческими целями и предполагаемыми объективными механизмами природы. На протяжении почти пяти столетий, утверждала Арендт, эта пропасть углублялась и становилась все более непримиримым вызовом человеческой природе. Она изменяла структуру общества и медленно, но неуклонно превращала отчуждение от Земли – свойственный большей части науки «взгляд ниоткуда», в отчуждение от мира – расторжение связи с миром в целом.

В своем эссе Арендт прямо указывает на этот тупик в сердцевине современной науки и утверждает, что эта парадигма в конечном счете окажется самоубийственной. Интересно, что в поддержку своего тезиса она цитирует одного из основателей квантовой физики Вернера Гейзенберга, который сказал, что «в своей погоне за объективной реальностью человек вдруг обнаружил, что он всегда сражается только с самим собой»[205]. Гейзенберг здесь имел в виду ключевую роль наблюдателя в квантовой теории – тот факт, что сами вопросы, которые мы задаем, влияют на то, как проявляет себя реальность. Характерная для ранней квантовой эры инструменталистская интерпретация квантовой теории, которую он отстаивал вместе с Бором, породила глубокую эпистемологическую загадку. В соответствии с этой интерпретацией физикам посоветовали «заткнуться и вычислять», не заботясь об онтологии квантовой теории. Но Арендт интересовала как раз эта онтология, и она подчеркивает: с приходом квантовой теории наука столкнулась именно с тем, что человечество всегда знало, но никогда не могло наглядно продемонстрировать, – а именно, что гуманисты были правы, беспокоясь о значении и ценности человека в новом мире науки.

Для Арендт запуск первого спутника, событие «по важности не имеющее себе равных в истории», олицетворил эволюцию по направлению к полностью искусственному миру, «технотопу», подвластному человеческой власти и контролю. В своем эссе[206] она пишет: «Космонавта, заброшенного в открытый космос и заточенного в своей опутанной приборами капсуле там, где любой реальный физический контакт с непосредственной окружающей средой означал бы немедленную смерть, вполне можно считать символическим олицетворением гейзенберговского человека – человека, у которого тем меньше шансов когда-либо повстречать что-то, кроме самого себя и созданных им самим предметов, чем настойчивее он стремится при контакте с нечеловеческим миром вокруг себя отказаться от любых антропоцентрических соображений».

По мнению Арендт, эта научно-технологическая гонка, лишенная всех антропоморфных элементов и гуманистических забот, была порочна в самой своей основе. Будь она связана с покорением космоса в надежде на преобразование другой планеты, или с поиском философского камня в биотехнологии, или, наконец, с построением итоговой физической теории, – Арендт считала ее восстанием против условий существования человека, обязательных для нас как обитателей этой планеты:

«Человек неизбежно лишится своего преимущества. Все, что он может найти, – это точка, которая является архимедовой по отношению к Земле; но когда он туда доберется и получит абсолютную власть над своей земной средой обитания, ему потребуется новая архимедова точка, и так ad infinitum[207]. Другими словами, человек может лишь заблудиться в необъятной Вселенной – ведь единственной истинной архимедовой точкой будет абсолютная пустота за ее пределами».

Арендт утверждала, что, если мы начнем смотреть на мир и нашу деятельность в нем сверху вниз, как будто мы находимся за его пределами, если мы начнем при помощи архимедова рычага переворачивать сами себя, то наши действия в конечном счете потеряют свой глубокий смысл. Это случится потому, что мы начнем рассматривать Землю как такой же объект, как и все остальные, перестанем относиться к ней как к своему дому. Вся наша деятельность, от покупок в интернете до занятий наукой, будет сведена всего лишь к данным, которые можно анализировать теми же методами, какие мы используем для изучения столкновений частиц или поведения крыс в лаборатории. Наша гордость за то, что мы можем делать, растворится в некотором виде мутации человеческой расы, трансформируя нас из субъектов планеты Земля в простые объекты. И если эта точка когда-нибудь все же будет достигнута, заключает Арендт свое эссе, «статус человека не просто станет ниже по всем известным нам мерилам, но перестанет существовать». Другими словами, мы потеряем свободу. Мы перестанем быть людьми.

Это парадокс. В наших попытках найти окончательную истину и получить абсолютную власть над своим существованием как людей на Земле мы рискуем стать меньше, а не больше.

В центре аргументации Арендт лежит идея о том, что наука и техника могут только что-то добавить к статусу человека – в той степени, в какой мы хотим быть дома во Вселенной. «Земля – квинтэссенция условий существования человека», – говорит она. Что бы мы ни узнали или ни открыли, что бы ни сделали с миром – все это человеческие открытия и стремления. Неважно, насколько абстрактны или образны наши мысли, насколько далеко простирается их воздействие, – наши теории и действия остаются неразрывно вплетенными в человеческие, земные условия нашего существования. Вот почему Арендт призывает к тому, чтобы научная практика и видение нашего технотопа основывались на человеческих ценностях:

«Новое мировоззрение, которое может вполне естественно вырасти из современной науки, будет, скорее всего, снова геоцентрическим и антропоморфным. Но не в старом смысле, когда Земля помещалась в центр Вселенной, а человек был венцом творения. Оно будет геоцентрическим в том смысле, что Земля, а не какая-то точка вне Вселенной останется центром и домом для человечества. И оно будет антропоморфным в том смысле, что человек будет относить факт конечности своего существования к тем элементарным условиям, при которых только и возможны его научные изыскания».

Здесь Ханна перекликается со Стивеном – с поздним Стивеном, который смотрит «сверху вниз». Последняя теория Хокинга освобождает космологию от ее платоновской смирительной рубашки. Она в каком-то смысле возвращает физические законы домой. Принимая перспективу Вселенной «изнутри вовне», эта теория коренится в том, что Арендт назвала бы земными условиями. И это не просто заумные академические материи – ведь физическая космология, признавая конечность, присущую «взгляду червя», которым мы смотрим на космос, должна с течением времени переориентировать всю программу действий науки. Да, если прошлое может быть поводырем, мы можем надеяться, что последняя теория Хокинга станет ядром нового научного и человеческого мировоззрения, в котором знания и творческая энергия человека снова начнут обращаться вокруг своего обычного центра.

Космология вполне может быть той самой областью науки, в которой озабоченность Ханны Арендт несомненно оправдана. Разумеется, мы находимся внутри Вселенной! И тем не менее еще со времен Ньютона космологи стремятся в ней разобраться, как бы глядя из некоторой точки вне ее. К концу XX столетия спекуляции вокруг мультивселенной превратили отчуждение от Земли в отчуждение от Вселенной. Смущенные биофильностью считавшихся объективными законов и заблудившиеся в мультивселенной, космологи в результате своих открытий стали меньше, а не больше – совсем, как и предвидела Арендт.

Чего, мне кажется, Арендт не предвидела – что новая квантовая теория Гейзенберга, в которой «человек сражается только с самим собой», тоже содержала семена идей, позволявших космологии заново изобрести себя. В этой книге я показываю, что истинно квантовый взгляд на Вселенную противостоит неумолимым отчуждающим силам современной науки и позволяет нам заново построить космологию с внутренней точки зрения – что и является сутью последней теории Хокинга.

В квантовой Вселенной воспринимаемые прошлое и будущее возникают из дымки возможностей посредством непрерывного процесса задавания вопросов и наблюдения. Наблюдение, этот интерактивный процесс в сердце квантовой теории, процесс, который трансформирует то, что могло бы быть, в то, что действительно происходит, постоянно и все более прочно приводит Вселенную в состояние существования. Наблюдатели – в квантовом смысле этого слова – принимают на себя в космических делах некую созидательную роль, что наделяет космологию неуловимо субъективным оттенком. Наблюдение также вводит в космологическую теорию тонкий элемент обращения времени – ведь дело обстоит так, как будто акт наблюдения, выполненного сегодня, ретроактивно фиксирует исход Большого взрыва «тому назад». Вот почему Стивен называл свою последнюю теорию космологией «сверху вниз»; мы читаем основания истории Вселенной в обратном, нисходящем порядке.

Интегрируя наблюдение внутрь своей архитектуры, но при этом не приписывая жизни никакой привилегированной роли, «нисходящая космология» избегает как опасности оказаться «потерянной в математике» – отмеченной и Арендт, – так и ловушек антропного принципа. Несколько прозаично мы могли бы сказать, что в последней теории Стивена человек не предстает ни богоподобной фигурой, парящей над всей Вселенной, ни беспомощной жертвой эволюции на полях реальности, но не больше и не меньше, чем самим собой. Стивен, на протяжении большей части своей жизни в науке сражавшийся с антропным принципом, был очевидно доволен таким исходом. Нисходящая космология переворачивает загадку видимого устройства Вселенной в некотором смысле вверх тормашками. Она воплощает тот взгляд, что на самом нижнем квантовом уровне Вселенная сама выстраивает свою биофильность. Согласно этой теории жизнь и Вселенная некоторым образом взаимно подстраиваются друг под друга, потому что в более глубоком смысле они обретают существование вместе.

В сущности, я смею заявить, что этот взгляд и составляет истинный дух коперниканской революции. Когда Коперник поместил Солнце в центр мира, он очень хорошо понимал, что с этих самых пор для того, чтобы верно интерпретировать астрономические наблюдения, всем придется принимать в расчет движение Земли вокруг Солнца. Коперниканская революция не стремилась объявить, что наше положение во Вселенной не имеет значения – она сводилась к тому, что оно не является привилегированным. Спустя пять столетий космология «сверху вниз» возвращается к этим корням – и мне думается, Арендт была бы рада этому.

При этом надо заметить, что последняя теория Хокинга не возникла из внезапного сочувствия той или иной философской позиции. Скорее наоборот – Стивен всегда пытался воздерживаться от принятия какой бы то ни было философии. Он чувствовал, что на Эйнштейна с его статической Вселенной и неохотой признавать квантовую теорию слишком сильно влияли его философские предрассудки, и стремился избежать тех же ошибок. Мы разработали наш подход «сверху вниз», в первую очередь пытаясь разрешить парадоксы мультивселенной и найти космологическую теорию получше. Оглядываясь назад, можно сказать, что это предприятие оказалось довольно продуктивным в философском смысле.

Сделанное в конце 1920-х годов открытие, что у Вселенной есть история, – одно из самых поразительных открытий всех времен. На протяжении почти ста лет мы изучаем эту историю на постоянном фоне неизменных законов природы. Но суть теории, которую выдвинули Стивен и я, состоит в том, что этому подходу не удается передать глубину и масштаб сделанного Леметром открытия природы Вселенной. Предложенная нами квантовая космология читает историю Вселенной изнутри; на своих самых ранних стадиях эта история содержит и генеалогию физических законов. С нашей точки зрения, фундаментальны не сами законы как таковые, но их способность меняться. В этом смысле нисходящая космология завершает начатую Леметром концептуальную революцию в нашем мышлении о Вселенной[208].

В ПОСЛЕДНЕЙ ТЕОРИИ СТИВЕНА ЧЕЛОВЕК НЕ ПРЕДСТАЕТ НИ БОГОПОДОБНОЙ ФИГУРОЙ, ПАРЯЩЕЙ НАД ВСЕЙ ВСЕЛЕННОЙ, НИ БЕСПОМОЩНОЙ ЖЕРТВОЙ ЭВОЛЮЦИИ НА ПОЛЯХ РЕАЛЬНОСТИ, НО НЕ БОЛЬШЕ И НЕ МЕНЬШЕ, ЧЕМ САМИМ СОБОЙ.

Чтобы раскрыть суть того, что остается скрытым на самых ранних квантовых стадиях, мы должны снять один за другим, как шелуху, многочисленные уровни сложности, что отделяют нас от рождения Вселенной. Это можно сделать, если прослеживать развитие Вселенной, продвигаясь против течения времени. И когда мы наконец добираемся до Большого взрыва, нам открывается более глубокий уровень эволюции, на котором меняются и сами законы физики. Мы открываем некую метаэволюцию, где правила и принципы физической эволюции развиваются совместно со Вселенной, которой они управляют.

У этой метаэволюции есть дарвинистский оттенок, придающий ей взаимодействие изменчивости и отбора, что разыгрываются в первичной среде ранней Вселенной. Изменчивость появляется, потому что случайные квантовые скачки приводят к частым малым и действительно случайным крупным отклонениям от детерминистического поведения. Отбор возникает, потому что некоторые из этих отклонений, особенно крупные, могут усиливаться и застывать в форме новых правил, помогающих последующей эволюции. Взаимодействие между этими двумя конкурирующими силами в пекле горячего Большого взрыва приводит к процессу ветвления – что-то аналогичное случится спустя миллиарды лет, когда начнут возникать биологические виды. В этом процессе виды размерностей, сил и частиц вначале разделятся, а затем, когда Вселенная расширится и остынет примерно до десяти миллиардов градусов, приобретут свои действующие до сих пор формы. Случайность, присущая этим переходам, означает, что, как и в случае дарвиновской эволюции, исход этого поистине древнейшего слоя космической эволюции может быть понят только ex post facto.

Конечно, на протяжении обозримого будущего нас будет искушать желание соединить все имеющиеся точки данных, чтобы нарисовать древо физических законов во всей его полноте. Но на этот вызов ответить трудно – имея лишь скудные ископаемые данные, относящиеся к самым ранним моментам Вселенной, видя, что бо́льшая часть содержимого Вселенной покрыта таинственным мраком, мы понимаем, что расшифровать ход космогенеза – исключительно трудная задача. Однако новые телескопы продолжают расширять границы нашего восприятия. Тончайшие наблюдения микроволнового фонового излучения, изобретательные методы поиска частиц темной материи, регистрация всплесков гравитационных волн – все это значит, что физики всего мира работают все более интенсивно, стремясь проникнуть в далекую эру, скрывающую наши самые глубокие корни.

Заметим, что если действующие законы физики представляют собой ископаемые остатки древней эволюции, то с точки зрения онтологии мы, вероятно, должны относиться к ним так же, как и к имеющим вид законов характеристикам других уровней эволюции. Это утверждение можно даже усилить: мы могли бы утверждать, что в широких рамках квантовой космологии между фактом, что на заре современной научной эпохи в Западной Европе доминировали христианские религии и, скажем, значением аномального магнитного момента электрона в Стандартной модели физики частиц нет ни малейшей онтологической разницы. И то и другое – «замороженные случаи», просто относящиеся к очень далеким друг от друга уровням сложности.

Исходная модель Стивена при отсутствии границы – взятая в ракурсе «сверху вниз»! – есть ключ к осознанию отстаиваемого мною фундаментально исторического взгляда на физику и космологию, взгляда, который включает в себя и генезис физических законов. Гипотеза об отсутствии границы предсказывает, что, если мы прослеживаем историю первичной Вселенной настолько далеко во времени, насколько это вообще возможно, ее структурные свойства продолжают испаряться и преобразовываться, и это в конечном счете распространяется и на само время. Изначально время было слито с пространством в нечто вроде сферы с более высоким числом измерений, замыкая Вселенную в несуществование. Это заставило раннего Хокинга, еще рассуждавшего в причинных рамках подхода «снизу вверх», провозгласить, что Вселенная произошла из ничего. Но последняя теория Хокинга предлагает радикально иную интерпретацию замыкания пространства-времени в Большой взрыв. Поздний Хокинг утверждал, что несуществование в самом начале – не что-то вроде пустоты вакуума, из которой вселенные могут рождаться или не рождаться, но гораздо более сложный и глубокий эпистемологический горизонт, не содержавший ни пространства, ни времени, ни, что критически важно, физических законов. «Происхождение времени» в последней теории Стивена – это предел того, что может быть сказано о нашем прошлом, а не просто начало всего существующего. Такой взгляд в особенности подкрепляется голографической формой теории, в которой размерность времени и, следовательно, сама эволюция – основное понятие, выжимка редукционистских концепций – видятся как возникающие свойства Вселенной. С голографической точки зрения движение вспять во времени похоже на взгляд на голограмму со все более расплывающимся изображением. При этом мы в почти буквальном смысле получим все больше и больше закодированной в ней информации, пока у нас, допустим, не кончатся кубиты. Это и будет началом времени.

Поразительное свойство нисходящей космологии: она обладает встроенным в нее механизмом, ограничивающим то, что мы можем сказать о мире. Как будто точная квантовая доза информации о космосе защищает нас от желания знать слишком много. И это важно – ведь именно замыкание нашего прошлого в последней теории Хокинга и фундаментальное осознание определенной конечности, вынужденное этим замыканием, не позволяют нам безнадежно погрязнуть в парадоксах мультивселенной. В квантовой космологии мультивселенная испаряется как снег под солнцем. Нисходящая космология лишает пеструю космическую мозаику большинства ее цветов, но это сокращение, как ни странно, усиливает предсказательный диапазон теории. Так что, как и предвидела Ханна Арендт в своем критическом анализе, отбрасывая прочь архимедову опорную точку, космологическая теория вырастает, а не уменьшается. Как писал Витгенштейн в конце своего знаменитого Логико-философского трактата: «О чем невозможно говорить, о том следует молчать». Сила квантового взгляда на космос в том, что он и правда дает нам математические инструменты, чтобы хранить молчание.

В окончательном итоге имеем глубокий пересмотр нашего понимания того, что именно космология может узнать о мире. Ранний Хокинг (а также и ранний автор этих строк) искали более глубокого понимания видимого устройства Вселенной в физических условиях, сложившихся при возникновении времени. Хокинг предполагал – мы предполагали, – что существует фундаментальное причинное объяснение, глубоко скрытое в управлявшей Большим взрывом математике, объяснение, которое бы определяло, «почему Вселенная такая, какая она есть», как часто говаривал Стивен. Другими словами, мы предполагали, что существует окончательная теория, которая заменяет физическую Вселенную – или мультивселенную. Перевернув космологию вверх тормашками и вывернув ее наизнанку, поздний Хокинг объявил, что его раннее альтер эго ошибалось. Наша нисходящая перспектива переворачивает иерархические отношения между законами и реальностью в физике. Она ведет к новой философии физики, которая отбрасывает представление о Вселенной как о машине, управляемой безусловными и существовавшими изначально законами, и заменяет его взглядом на Вселенную как на вид самоорганизующейся сущности, – в ней появляются все типы возникающих структур, и наиболее общие из них мы зовем законами физики. Мы могли бы сказать, что в нисходящей космологии законы подчиняются Вселенной, а не Вселенная – законам. Эта теория утверждает, что, если на великий вопрос существования есть ответ, искать его надо внутри этого мира, а не в структуре абсолютов вне его.

Общие принципы нашего подхода «сверху вниз» я подытожил во взаимосвязанной триаде, набросанной на рис. 43. Эта схема обобщает общепринятую парадигму физики, в которой три опоры – истории, генезис и наблюдение – не переплетены, но рассматриваются как отдельные разобщенные сущности, каждая со своим статусом. Триада дает новые рамки для предсказаний, рамки, в которых индуктивный процесс конструирования законов Вселенной описывается внутри них же и в которых, вследствие этого, наши физические теории видятся как выбор одной возможности из многих. Взгляд «сверху вниз» состоит в том, что законы физики есть свойства Вселенной, выведенные из собранных данных и обработанные посредством вычислительных алгоритмов[209], а не проявления некоей вечной истины. Преемственность физических теорий понимается как идентификация все более общих структур, охватывающих все большее число взаимосвязанных эмпирических явлений. Конечно, это движение от частного к общему намного увеличивает предсказательную силу и практическую применимость физической теории. Но это совсем не значит, что мы стремимся к окончательной теории, уникальной, независимой от ее структуры и от наших данных. Всегда существует огромное количество теорий, которым удовлетворяет конечный набор данных – точно так же, как существует огромное множество кривых, которыми можно интерполировать конечное множество точек. Нисходящий подход в космологии означает, что, спускаясь все ниже, мы все время будем находить преемственные теории, но никогда не придем к конечной точке. В некотором смысле последняя теория Стивена констатирует, что последней теории не существует.

Свободная от любых притязаний на то, чтобы быть абсолютной истиной, нисходящая космология способствует открытию новых горизонтов во многих сферах мышления, от искусства до науки, достигая при этом разнообразных целей и приводя к взаимодополняющим прозрениям. Если наше мышление «сверху вниз» действительно содержит семена нового мировоззрения, то это мировоззрение насквозь плюралистично. Понятия времени и имеющих вид закона структур, по-видимому, возникают путем, зависящим от задаваемых нами вопросов и от уровня сложности Вселенной вокруг нас. Когда поздний Хокинг в ноябре 2016 года в Ватикане обрисовал очертания нашей постплатоновской космологии, это не предвещало новых битв с Богом или с папой. Совсем наоборот, идеи Стивена нашли у папы Франциска глубокий и сильный отклик. У них была общая цель – защищать наш общий космический дом на благо человечества, сегодня и всегда.

Квантовая космология учит нас, что биологическая и космологическая эволюции – не фундаментально раздельные явления, но два очень разных уровня одного гигантского эволюционного древа. Биологическая эволюция имеет дело с ветвлениями в области с высоким уровнем сложности, в то время как космология ветвится на уровнях низких; между этими областями существуют еще промежуточные, заполненные уровнями астрофизическими, геологическими или химическими. И хотя каждый из этих уровней имеет свою специфику и свой особый язык, универсальная волновая функция сплетает их воедино. То обстоятельство, что в ранней Вселенной древо физических законов возникало по принципу «тяп-ляп», говорит нам, что понимаемый в широком смысле принцип дарвинизма, эта основополагающая биологическая схема, пропитывает все уровни эволюции, вплоть до самых глубоких, какие мы только можем себе представить. В некотором смысле квантовая космология перекидывает мост через не дающую нам покоя глубокую концептуальную бездну, веками разделяющую биологию и физику. Мы видим, что сделанный Дарвином набросок древа жизни и сделанный Леметром набросок «нерешительной», колеблющейся Вселенной (см. рис. 4 и 3 на вклейке) глубоко связаны между собой – они представляют две стадии единого всеохватывающего исторического процесса[210].

Эта грандиозная арка – знак глубокого и могучего единства природы. Кардинально отличающиеся друг от друга уровни эволюции сливаются во взаимосвязанное целое, пронизанное соединяющими их корреляциями. И, пожалуй, наиболее яркий пример корреляции между множественными уровнями сложности – это поразительная приспособленность к жизни действующих законов физики, тот самый лейтмотив, что звучал у нас в ушах на всем протяжении нашего путешествия. Теперь, на более глубоком уровне, постепенно становится понятно, каким образом мы, маленькая веточка на древе жизни, вместе со всеми остальными живыми организмами на нашей планете, взаимосвязаны с физической Вселенной вокруг нас. Из кусочков складывается целое, и мы начинаем понимать, что это за начало, которое порождает в космосе дыхание жизни. Его, может быть, предвидел со своей гениальной прозорливостью еще Чарльз Дарвин: в 1882 году в письме Джорджу Уолличу[211] он написал: «Принцип преемственности заставляет предполагать вероятность того, что начиная с этого времени принципы жизни будут представать как часть, или как следствие, или как некоторый общий закон, охватывающий всю Природу». Мы, возможно, наконец находимся на пороге принятия этого прозрения.

И тем не менее многие физики, особенно теоретики (те из них, кто привык придерживаться твердой уверенности в существовании глубоких корней законов природы), по-прежнему предпочитают верить, что где-то ждет своего открытия окончательная теория, парящая над физической реальностью и вне ее – гранитное основание башни науки, покоящееся в центре всего сущего. Этому образу мыслей отдал должное и Стивен[212]. «Некоторые люди будут страшно разочарованы, если в самом конце их не поджидает последняя и исчерпывающая теория», – заметил он как-то. И тут же продолжил: «Когда-то и я принадлежал к этому лагерю. А теперь я рад, что наш поиск понимания природы никогда не закончится и что перед нами всегда будут стоять вызовы новых открытий. Без этого нас ждала бы стагнация». Глубоко присущий ему дух исследователя побуждал Стивена быть всегда готовым продолжать движение – и он был счастлив отправиться в волнующее путешествие к своему постплатоновскому открытию.

Как и Дарвин, Стивен чувствовал, что в его позиции было величие. И ведь правда, какая грандиозная открылась ему перспектива! Если все научные законы, включая и «фундаментальные» законы физики, – возникающие, эмерджентные, значит, мы на пороге принятия нового, гораздо более широкого взгляда на природу. В сущности, эти прозрения связаны с последними достижениями в целом ряде научных дисциплин. Отделавшись от идеи, что мы ищем уникальную систему правил, несколько разделов науки начали расширять свой кругозор, переходя от изучения «того, что есть» к изучению «того, что может быть».

В информационных науках искусственный интеллект и машинное обучение уже создают новые формы вычислений и искусственного разума. Некоторые из них обладают способностью эволюционировать и даже включают элемент интуиции – человеческой или нет. Биотехнологии открывают новые эволюционные пути на основе различных генетических кодов и даже белков. Техники генетического редактирования, такие как, например, CRISPR[213], позволяют генетикам точно и целенаправленно модифицировать клеточные ДНК, создавая формы жизни, внешний вид и возможности которых незнакомы живой природе: от гениальных мышей до червей-долгожителей. Возможно, в один прекрасный день так появятся и гениальные, почти бессмертные люди, или скорее постлюди. Квантовые инженеры тем временем создают новые формы материи, в которых чудеса микроскопической квантовой запутанности проявляются на макроскопических масштабах в ежедневной жизни. В некоторых из таких материалов могут даже голографически кодироваться новые теории тяготения и черных дыр, а то и «игрушечных» расширяющихся вселенных, эволюция которых зашифрована в алгоритмах операций, производимых с огромным количеством взаимосвязанных квантовых битов.

У всех этих разработок огромное будущее. Вместо того чтобы всего лишь открывать законы природы, изучая уже существующие явления, ученые начинают предугадывать гипотетические законы и затем строить системы, в которых такие законы появляются. Старая цель познания: найти истинную природу разума или истинную теорию всего, вскоре может оказаться реликтом устаревшего и предельно ограниченного мировоззрения. В своей недавней статье в журнале Quanta Magazine Роберт Дейкграф, бывший директор принстонского Института перспективных исследований, пишет: «То, что мы раньше называли “природой”, – лишь крохотная часть намного более огромного далекого ландшафта, ждущего своего открытия»[214].

Больше того, эти новейшие разработки усиливают друг друга, и именно в областях их пересечения мы можем надеяться найти самые глубокие последствия их применения. В 2020 году программа глубокого обучения AlphaFold, разработанная подразделением искусственного интеллекта DeepMind компании Google, обучила сама себя определять трехмерную фолдинговую структуру белков по их последовательности аминокислот, решив тем самым одну из главных проблем в области молекулярной биологии. На протяжении следующих нескольких лет алгоритмы машинного обучения будут искать новые частицы в петабайтах данных, полученных на ускорителе Большого адронного коллайдера в CERN, и узоры гравитационных волн в отягощенных шумами вибрациях, принимаемых гравитационной обсерваторией LIGO. Пройдет еще какое-то время, и еще более сложные программы глубокого обучения позволят нам погрузиться в глубины математических структур, лежащих в основе наших физических теорий. Кто знает, может быть, это приведет к изменению самых основ языка физики.

Так, охватывая нашими исследованиями область «того, что может быть», мы перевернули первые страницы новой главы в книге современной науки. В XX веке ученые отождествили элементарные строительные кирпичики природы. Частицы, атомы и молекулы составляют вещество; гены, белки и клетки – компоненты жизни; биты, программы и распределенные системы – основу разума и информации. В нынешнем столетии, соединяя эти составляющие совершенно новыми способами, мы начнем конструировать новую реальность со своими собственными законами. Конечно, природа занимается этим на протяжении уже более тринадцати миллиардов лет космологического расширения и почти четырех миллиардов лет биологической эволюции на Земле. Но, как замечательно сказал Дейкграф, она реализовала лишь крошечную часть всех возможных конструкций и планов. Количество генов, которое можно представить математически, чудовищно – оно гораздо больше, чем даже число микросостояний типичной черной дыры, и только малая капля этого количества реализована за всю историю жизни на Земле. Невероятно огромно и число физических сил и частиц, которые могут быть сконструированы в рамках теории струн. Но в ходе расширения ранней Вселенной реализовался лишь известный нам конкретный их набор. Таким образом, во всем спектре сложности мира, от фундаментальной физики до разума, многообразие возможных форм реальности в колоссальное число раз больше, чем то, что до сих пор произвела естественная эволюция. XXI век – тот критический период в истории, когда мы начинаем раскрывать этот невероятно огромный мир.

Этот шаг знаменует рассвет новой эры, впервые наступившей в истории Земли, а может, и всего космоса – когда один из видов живых существ пытается не только перестроить биосферу, в которой прошла его эволюция, но и выйти за ее пределы. Вслед за Ханной Арендт мы можем повторить: от простого участия в процессе эволюции мы сейчас переходим к ее конструированию – а с ней и к реконструированию нашей собственной человеческой природы.

С одной стороны, это время великих обещаний. Огромный диапазон открывающихся перед нами путей поистине фантастичен по сравнению со всем, что человечество когда-либо испытывало в прошлом. В некоторых ветвях будущего наш сегодняшний выбор будет трамплином для непредставимых сейчас инноваций и расцвета постчеловечества. В этих вариантах будущего человеческая эра будет примечательным периодом перехода от первых примерно четырех миллиардов лет мучительно медленной дарвиновской эволюции к последующим неописуемым годам эволюции, движимой технологическим и интеллектуальным прогрессом – как здесь, на Земле, так и на огромных расстояниях от нее.

Но это также и необыкновенно опасный своей неустойчивостью период. Созданные самим человечеством экзистенциальные риски – от неконтролируемого расползания ядерного оружия и глобального потепления до непредвиденных последствий развития биотехнологий и искусственного интеллекта – сейчас намного перевешивают естественно возникающие риски в природе. По оценке королевского астронома Великобритании сэра Мартина Риса, если принять в расчет все создаваемые деятельностью человека опасности, выходит, что есть лишь 50 шансов из ста, что человечество доживет до 2100 года без катастрофического регресса. Институт будущего человечества в Оксфорде (Oxford Future of Humanity Institute) оценивает шанс возникновения в текущем столетии экзистенциально рискованной для человечества ситуации примерно как один к шести. Перед нами бесчисленные варианты возможного будущего, среди которых здесь и там будут попадаться тупиковые ответвления, – в них нас может подстерегать хаос или даже полное исчезновение, после которого в космической истории от нас останется не больше, чем краткое примечание на полях.

ОТ ПРОСТОГО УЧАСТИЯ В ПРОЦЕССЕ ЭВОЛЮЦИИ МЫ СЕЙЧАС ПЕРЕХОДИМ К ЕЕ КОНСТРУИРОВАНИЮ – А С НЕЙ И К РЕКОНСТРУИРОВАНИЮ НАШЕЙ СОБСТВЕННОЙ ЧЕЛОВЕЧЕСКОЙ ПРИРОДЫ.

Сейчас мы располагаем единственным твердо установленным фактом, который имеет отношение к обсуждаемому вопросу: ни одна внеземная цивилизация не исследовала сколько-нибудь существенную часть звездных систем в нашей космической окрестности. Значит, из миллиардов звезд в нашем локальном световом конусе прошлого ни одну эволюция не привела к развитию крупномасштабной экосистемы с уровнем техники, которого мы скоро можем достичь. Физические законы удивительно приспособлены для развития жизни – и тем не менее нет никаких признаков того, что в космосе кто-то есть. Мы не смогли настроиться на коротковолновой передатчик инопланетян, транслирующий внеземную поэзию или музыку; на небе мы не видим никаких таинственных астроинженерных проектов. Напротив, мы добились огромных успехов в объяснении поведения звездных систем, нашей галактики и всей наблюдаемой Вселенной на основе единого набора естественных физических законов. Размышляя над этим парадоксом, итальянский физик Энрико Ферми летом 1950 года задал свой знаменитый вопрос: «Где же они все?» Ферми имел в виду, что при настолько благоприятных для жизни условиях во Вселенной отсутствие свидетельств существования внеземных цивилизаций заставляет предположить, что где-то на пути эволюции от обычной неживой материи к развитому технотопу, в котором мы скоро можем оказаться, есть некое очень серьезное препятствие. Лежит ли это «бутылочное горлышко» в нашем прошлом, в нашем будущем – или и там, и там? Если в нашем прошлом последовательность эволюционных шагов обладала фантастически малой вероятностью и сложные формы жизни во Вселенной крайне редки, тогда главное «бутылочное горлышко» почти наверняка уже позади. Но у Ферми было мучительное ощущение, что препятствие может находиться как раз в той точке перехода, которая отделяет нашу нынешнюю цивилизацию от способности распространиться в космосе. Возможно, нам не удастся выжить в мире, который мы создали. Было бы полезно подумать об этом, чтобы прийти к необходимой мере коллективного предвидения – ведь мы создаем наше будущее[215]. Стивен, по сути, разделял чувства Ферми. Однажды он сказал: «Нам достаточно только посмотреть на себя, чтобы увидеть, как разумная жизнь может развиться в нечто, с чем нам вряд ли захотелось бы познакомиться».

И это приводит нас к вопросу: какое будущее намечаем мы для нашей планеты и нашего биологического вида? Будет ли постчеловечество процветать и распространяться по космосу? Если встать на квантовую точку зрения, мириады разветвляющихся в будущее путей в некотором смысле уже находятся там, в будущем, в виде бескрайнего ландшафта возможностей. И некоторые из этих возможных будущих могут даже показаться довольно правдоподобными. Мы, однако, должны учиться на примерах из прошлого – шансы постоянно интерферируют, заставляя историю делать неожиданные скачки и повороты. Относительно свежий пример – случайное происшествие с летучей мышью из Ухани в 2019 году. И все же мы можем наметить определенные шаги для того, чтобы избежать срыва в бездну: принять ясное глобальное видение того будущего, к которому мы стремимся, и, несмотря на все неопределенности, строить количественные модели его возможного функционирования. Главная ответственность за это будет лежать на сообществе ученых и исследователей, как специалистов в естественных науках, так и гуманитариев. Они должны действовать как представляющий интересы всего человечества аналитический центр и добиваться того, чтобы их исследования – от биоинженерии до машинного обучения и квантовых технологий – интегрировались и направлялись на общее благо.

Ведь мы не можем просто ждать и надеяться на лучшее. Если человечество неспособно даже коллективно наметить черты будущего, к которому оно стремится, мы вряд ли можем надеяться достичь чего-то хотя бы отдаленно напоминающего желаемую цель. Нигде в мире нет какого бы то ни было руководства или справочника, которые могли бы нам помочь; нет, как я показал в этой книге, и каких-либо теоретических оснований, даже в самом фундаменте законов физики, опираясь на которые можно было бы смягчить любую неудачу. Если человечество само не напишет скрипт своих действий, никто не сделает этого за нас. Мы можем либо предоставить эволюции и дальше двигаться вслепую, понизив тем самым статус человечества до статуса огромного, обобществленного, контролируемого и лишенного какой-либо свободы муравейника, – либо можем осознать, что наша судьба находится в наших собственных руках и мы, шаг за шагом, переплавим эту судьбу в скоординированное общее будущее. И может быть, сумеем доказать, что Ферми ошибся в своем пессимизме.

В этой критической точке нашей истории, когда мы делаем первые шаги, взяв на себя функции природы, важнее, чем когда бы то ни было, помнить слова Ханны Арендт: на планете Земля мы ее пассажиры, ее обитатели, а не боги, действующие на небесах. Мы действующие лица постоянно меняющейся Вселенной. Мы составляем эволюцию. Нам необходимо найти путь к планетарному сознанию, чтобы смягчить раскрытое Ханной Арендт отчуждение от мира и двинуться к принятию мировоззрения, которое перестроит наши отношения друг с другом и с остальной частью биосферы во имя нашего будущего. Только осознав высшую ценность нашей роли как хранителей планеты Земля, осознав нашу связанную с этим конечность, сможем мы избежать того, чтобы человечество обратило накопленную им мощь против себя же.

Отказавшись от «взгляда ниоткуда», последняя теория Стивена дает нам мощный заряд надежды. Наше путешествие в недра Большого взрыва было предпринято в поисках НАШЕГО происхождения, а не только происхождения самой Вселенной, начавшейся с Большим взрывом. И это ключевая часть теории. Как и Эйнштейн, Стивен считал, что в далекой перспективе будущее человечества будет в конечном счете зависеть от того, насколько хорошо мы поймем наши самые глубокие корни. Эта мысль и привела его к изучению Большого взрыва. Его последняя теория Вселенной – больше чем просто научная космология. Это космология в гуманистическом смысле, космология, в которой Вселенная предстает нашим домом – пусть и очень большим, – а ее физика уходит корнями в наши отношения с ней. Своим завершающим аккордом космология Хокинга перебрасывает мост от математической строгости Исаака Ньютона к озарению Чарльза Дарвина: в самом глубоком смысле мы все – одно. Поистине справедливо, что прах Стивена теперь покоится в Вестминстерском аббатстве между могилами Ньютона и Дарвина. За годы моих научных странствий со Стивеном я узнал его как человека, который страстно желал одного: чтобы все мы прониклись космической перспективой нашего существования и думали в терминах глубокого времени. Его последняя теория – как готовое прорасти семя, которое может потенциально вырасти в новое мировоззрение, искусно поставленное на строго научную базу и в то же время основанное на человеческой природе. Очевидно, конечно, что арка, объединяющая квантовую космологию со вселенной морали крайне протяженна и хрупка. Но такова же и арка, переброшенная Ханной Арендт – от Галилея, направившего свой телескоп на Луну, до сегодняшнего общества высоких технологий.

БУДУЩЕЕ ЧЕЛОВЕЧЕСТВА БУДЕТ ЗАВИСЕТЬ ОТ ТОГО, НАСКОЛЬКО ХОРОШО МЫ ПОЙМЕМ НАШИ САМЫЕ ГЛУБОКИЕ КОРНИ.

Стивен твердо верил, что смелость задаваемых нами природе вопросов и глубина наших ответов позволит безопасно и мудро вести наш корабль – планету Земля – в будущее. История жизни Стивена Хокинга: после поставленного ему страшного диагноза он нашел в себе волю и силы любить, иметь детей, испытывать мир во всех его проявлениях и понять смысл Вселенной, вдохновила миллионы людей и останется могучей метафорой того, чего способен достичь человек. Его прощальное послание, отправленное в космос 15 июня 2018 года во время заупокойной службы в Вестминстерском аббатстве, гласит: «Когда мы видим Землю из космоса, мы видим всех нас вместе; мы видим единство, но не разделения. Это изображение, такое простое, несет в себе убедительное послание: одна планета, один род человеческий. Наши единственные границы ставит нам то, как мы себя видим. Мы должны стать гражданами Земли. Давайте же вместе работать, чтобы сделать будущее местом, в котором нам хотелось бы побывать».

У Стивена Хокинга мы можем учиться любить этот мир так, чтобы стремиться преобразовать его. Никогда не сдаваться. Быть настоящими людьми. Почти обездвиженный болезнью, Стивен был самым свободным человеком из всех, кого я знал.

Благодарности

Мое путешествие со Стивеном Хокингом было бы невозможно без помощи многих моих коллег и друзей, которую они оказывали мне на всем его протяжении.

Спасибо Эдриену Оттевиллю и Питеру Хогану из Дублина (Ирландия) – они в 1996 году посадили меня на поезд в Кембридж. Искренняя благодарность Нейлу Туроку, чьи увлекательные занятия в этой Мекке теоретической космологии и подтолкнули меня к тому, чтобы постучаться в дверь кабинета Стивена. И спасибо моим однокашникам и докторантам из круга Хокинга и Турока, соискателям степени PhD, в том числе Кристофу Гальфару, Харви Риллу, Джеймсу Спарксу и Тоби Уайзману, за их дружескую поддержку.

«Ты должен уйти так далеко, как это только возможно», – сказал Стивен, когда я окончил курс. Я так и сделал. Большое спасибо Стиву Гиддинсу, Дэвиду Гроссу, Джиму Хартлу, Гэри Горовицу, Дону Мэрольфу, Марку Средницки и покойному Джо Полчински за то, что они создали такую необыкновенную стимулирующую исследовательскую среду в Калифорнийском университете в Санта-Барбаре, в те волнующие ранние дни струнной космологии.

Примерно в это же время Стивен сдружился с Джорджем Митчеллом. Искренне благодарю семью Митчелл за то, что в своем заповеднике Кукс Бранч они создали чудесное уютное пристанище, где Стивен мог спокойно работать. Особая благодарность и Международному Сольвеевскому институту в Брюсселе, его президенту Жану-Марии Сольвею, бессменному директору Марку Энно и mater familias института мадам Мари-Клод Сольвей, чьи подробные воспоминания об Оппенгеймере, Фейнмане или Леметре буквально оживили страницы истории физики XX столетия. Именно тепло и щедрость семейства Сольвей – причина того, что Институт значил для меня гораздо больше, чем просто научное пристанище на путях моих странствий.

Все эти годы на мои мысли о происхождении времени оказывали глубокое влияние многочисленные беседы с коллегами. Отдельное спасибо за эти разговоры Дио Анниносу, Николаю Бобеву, Фредерику Денефу, Гэри Гиббонсу, Джонатану Хэлливеллу, Теду Джейкобсону, Оливеру Янссену, Матту Клебану, Жан-Люку Ленерсу, Андрею Линде, Хуану Малдасене, Дону Пейджу, Алексею Старобинскому, Томасу Ван Риету, Алексу Виленкину, и опять Гэри Горовицу, Джо Полчински, Марку Средницки и Нейлу Туроку. Приношу благодарность также Европейскому Совету по научным исследованиям и Научно-исследовательскому фонду Флендерса за поддержку технических исследований, которые лежат в основе широкой космологической теории, развиваемой мной в этой книге.

Конечно, работать со Стивеном было бы невозможно без его групп поддержки, череды его помощников, аспирантов и личных секретарей, особенно Джона Вуда и Джудит Кросделл, многих сиделок и медсестер, чьи профессиональные и самоотверженные уход и забота, помощь в ежедневных манипуляциях и планировании обеспечивали полет космической миссии «Хокинг» гораздо дольше гарантийного срока действия.

Глубокая благодарность Джиму Хартлу, нашему спутнику в странствии, compagnon de route в этом головокружительном путешествии, чье внутренне ему присущее квантовое видение Вселенной всегда было сияющим маяком у нас на горизонте, и Тому Дедервердере, моему бесценному критику, советчику и вдохновителю. Я в долгу перед Центром теоретической космологии в Кембридже и его спонсорами, а также перед Колледжем св. Троицы за предоставление мне позиции приглашенного профессора на критической развилке моего пути, перед Мартином Рисом, и перед Папской Академией наук, которые способствовали распространению ранней версии последней космологической теории Стивена.

Искреннее и отдельное спасибо Люси Хокинг за ее мягкую и ободряющую поддержку, особенно на трудных последних стадиях нашей работы, когда последние дни Стивена были уже близки и когда родилась идея рассказать о нашем путешествии. Первые строчки этой книги были написаны за кухонным столом на Вордсворт Гроув.

Я поставил себе целью вписать наши общие исследовательские усилия в более широкий контекст исторического развития как релятивистской, так и квантовой космологии. За вносящие ясность обсуждения этой истории благодарю покойного Джона Бэрроу, Гэри Гиббонса, Доминика Ламбера, Малькольма Лонгэйра и Джима Пиблса. Отдельное спасибо Франсу Церулусу, который в свои девяносто пять поделился поразительно живыми личными воспоминаниями об аббате Жорже Леметре. Спасибо Лилиане Моэнс и Веронике Филье за бесценную помощь в поисках материалов богатейшего Архива Леметра в Католическом университете Лёвена; спасибо Грэму Фармело за плодотворное обсуждение ранней научной и частной жизни Стивена Хокинга.

Создание моими близкими сотрудниками по Католическому университету в Лёвене Николаем Бобевым, Тойне Ван Прейеном и Томасом Ван Риетом активной исследовательской группы в Институте теоретической физики также создавало среду, стимулирующую работу, невзирая на ограничения, связанные с пандемией COVID-19 и локдауном. Спасибо и более широкому кругу моих коллег в Лёвене и Нидерландах – от визионеров, создающих бесценное академическое окружение, в котором всегда находит отклик создание научных текстов для более широкого круга читателей, до героев, отважно берущихся за тестирование наших самых далекоидущих космологических теорий. Особенная признательность – Роберту Дейкграфу, который, возможно неосознанно, дарил столько вдохновения и ободрения.

Спасибо всем: Демису Хассабису за открывший мне глаза разговор о том, каким может быть будущее космологии – и что оно может значить в эпоху искусственного интеллекта. Драматургу Томасу Рикеверту, который храбро вывел этот спектр идей (и его автора) на сцену. Ее Королевскому Величеству Матильде, королеве Бельгии, за ее незабываемое посещение выставки «На край времени» в Лёвене. И моему сокуратору Ханне Редлер Хавес за ее полное энтузиазма вторжение в широко открытое пространство между наукой и искусством, что внесло в процесс создания этой книги легкий налет артистизма.

Я благодарю и поздравляю архивистов Фламандской общественной радиовещательной корпорации VRT. На этой рукописи еще не успели высохнуть чернила, а они уже нашли давно затерянную запись данного в 1964 году Жоржем Леметром интервью, которое ярко свидетельствует об интеллектуальной связи между ним и поздним Хокингом – связи, которую я подчеркиваю в этой книге.

Спасибо Айше Грауве, которая мастерски превратила мои наброски в иллюстрации к тексту; спасибо и Джорджу Эллису, Роджеру Пенроузу и Джеймсу Уилеру за любезную помощь с некоторыми из более старых изображений. Хочу также выразить мою признательность кураторам кабинета Хокинга в лондонском Музее науки и Фонду работ Поля A. M. Дирака в государственном университете Флориды.

За советы и руководство в проекте издания этой книги большое спасибо моим литературным агентам Максу Брокману и Расселу Уайнбергеру. И Хилари Редмон, моему редактору в издательстве «Рэндом Хаус», за ее цепкий редакторский глаз и непрестанное ободрение; и Мириам Ханукаев за то, как она провела рукопись через процесс подготовки к печати.

И наконец, сердечное спасибо Наталии и нашим детям: Саломе, Айле, Ною и Рафаэлю за то, что они создали такой прекрасный и полный любви дом, в который я возвращался из своих странствий.

Библиография

Arendt, Hannah. The Human Condition. Chicago: University of Chicago Press, 1958. Издание на русском языке: Арендт X. Vita activa, или О деятельной жизни / Пер. с нем. и англ. В. В. Бибихина; ред. Д. М. Носов. – СПб.: Алетейя, 2000.

Barrow, John, и Frank Tipler. The Anthropic Cosmological Principle. Oxford: Oxford University Press, 1986.

Carr, Bernard J., George F. R. Ellis, Gary W. Gibbons, James B. Hartle, Thomas Hertog, Roger Penrose, Malcolm J. Perry, Kip S. Thorne. Biographical Memoirs of Fellows of the Royal Society: Stephen William Hawking CH CBE, 8 January 1942–14 March 2018. London: Royal Society, 2019.

Carroll, Sean. The Big Picture: On the Origins of Life, Meaning, и the Universe Itself. London: Oneworld, 2017.

Davies, Paul. The Goldilocks Enigma: Why Is the Universe Just Right for Life? London: Allen Lane, 2006.

Farmelo, Graham. The Strangest Man: The Hidden Life of Paul Dirac, Mystic of the Atom. New York: Basic Books, 2009.

Gell-Mann, Murray. The Quark и the Jaguar. New York: Freeman, 1997.

Greene, Brian. The Fabric of the Cosmos. New York: Alfred A. Knopf, 2004. Изд. на русском языке: Грин Б. Ткань космоса: пространство, время и текстура реальности / Пер. с англ. Ю. А Артамонова, И. В Савенкова, под общ. рук. Б. С. Ишханова; под ред. В. О. Малышенко и А. Д. Панова. Изд. 2-е, испр. – М.: ЛИБРОКОМ, 2011.

Greene, Brian. The Hidden Reality: Parallel Universes и the Deep Laws of the Cosmos. New York: Alfred A. Knopf, 2011.

Halpern, Paul. The Quantum Labyrinth. New York: Basic Books, 2018. Изд. на русском языке: Халперн П. Квантовый лабиринт: Как Ричард Фейнман и Джон Уилер изменили время и реальность / Пер. с англ. Д. Л. Казакова. – М.: Бомбора, 2019.

Hawking, Stephen. A Brief History of Time: From the Big Bang to Black Holes. New York: Bantam Books, 1988. Изд. на русском языке: Стивен Х. Краткая история времени / Пер. c англ. А. Дамбиса. – М, АСТ, 2019.

Hawking, Stephen, and Leonard Mlodinow. The Grand Design. New York: Bantam Books, 2010. Из. На русском языке: Хокинг С., Млодинов Л. Высший замысел / Пер. с англ. М. В. Кононова, под ред. Г. А. Бурбы. – СПб: Амфора, 2013.

Lambert, Dominique. The Atom of the Universe: The Life and Work of Georges Lemaître. Kraków: Copernicus Center Press, 2011.

Nussbaumer, Harry, и Lydia Bieri. Discovering the Expanding Universe. Cambridge: Cambridge University Press, 2009.

Pais, Abraham. “Subtle Is the Lord—”: The Science and the Life of Albert Einstein. Oxford: Oxford University Press, 1982. Изд. на русском языке: Пайс А. Научная деятельность и жизнь Альберта Эйнштейна / Пер. с англ. В. И. и О. И. Мацарских. Под ред. А. А. Логунова. – М.: Наука, 1989.

Peebles, James. Cosmology’s Century: An Inside History of Our Modern Understanding of the Universe. Princeton: Princeton University Press, 2020.

Pross, Addy. What Is Life? Oxford: Oxford University Press, 2012.

Rees, Martin. If Science Is to Save Us. Cambridge: Polity Press, 2022.

Rees, Martin, Our Cosmic Habitat. Princeton: Princeton University Press, 2001. Изд. на русском языке. Рис М. Наша космическая обитель / Пер. Н. Зубченко, И. Мамаева. – М.-Ижевск: Институт компьютерных исследований: 2002.

Rovelli, Carlo. The First Scientist: Anaximander and His Legacy. Translated by Marion Lignana Rosenberg. Yardley, Pa: Westholme, 2011.

Smolin, Lee. The Trouble with Physics: The Rise of String Theory, the Fall of Science and What Comes Next. Boston: Mariner Books, 2007. Изд. на русском языке: Смолин Л. Неприятности с физикой: Взлет теории струн, упадок науки и что за этим следует / Пер. c англ. Ю. Артамонова, 2007/ chipinfo.pro›books/troubles.pdf

Susskind, Leonard. The Cosmic Landscape: String Theory and the Illusion of Intelligent Design. New York: Little, Brown, 2006. Изд. на русском языке: Сасскинд Л. Космический ландшафт: Теория струн и иллюзия разумного замысла Вселенной / Пер. с англ. А. Пасечника. – СПб.: Питер, 2015.

Susskind, Leonard. The Black Hole War. New York: Little, Brown, 2008. Изд. на русском языке: Сасскинд Л. Битва при черной дыре: Мое сражение со Стивеном Хокингом за мир, безопасный для квантовой механики / Пер. А. Сергеева. – СПб.: Питер, 2016.

Turok, Neil. The Universe Within: From Quantum to Cosmos. Toronto: House of Anansi Press, 2012.

Weinberg, Steven. To Explain the World: The Discovery of Modern Science. New York: Harper, 2015. Изд. на русском языке: Вайнберг С. Объясняя мир: Истоки современной науки / Пер. В. Краснянской/ V/Альпина нон-фикшн, 2015.

Wheeler, John Archibald, and Kenneth Ford. Geons, Black Holes, and Quantum Foam: A Life in Physics. London: Norton, 1998.

Источники иллюстраций

Рисунок 1: © Science Museum Group (UK) / Science & Society Picture Library

Рисунок 2: © ESA – European Space Agency / Planck Observatory

Рисунки 3, 5, 9, 19–21, 23–25, 27–31, 33–38, 41–43, 45–46, 48–49, 52–54, 57: © Author / Aïsha De Grauwe

Рисунки 4: С разрешения Ministry of Culture – Museo Nazionale Romano, Terme di Diocleziano, photo n. 573616: Servizio Fotografico SAR

Рисунок 6: Public domain/providing institution ETH-Bibliothek Zürich, Rar 1367: 1

Рисунок 7(a): © Фото Anna N. Zytkow

Рисунки 7(b), 14, 17, 50, 51: © Author

Рисунок 8: Public domain / Posner Library, Carnegie Mellon

Рисунок 10: © Event Horizon Telescope collaboration

Рисунок 11: Из Roger Penrose, “Gravitational Collapse and Space-time Singularities // Physical Review Letters 14, no. 3 (1965): 57–59.© 2022 by the American Physical Society.

Рисунок 12: Впервые опубликовано в Vesto M. Slipher, “Nebulae” // Proceedings of the American Philosophical Society 56 (1917): 403

Рисунок 13: © Georges Lemaître Archives, Université catholique de Louvain, Louvain-la-Neuve, BE 4006 FG LEM 609

Рисунок 15a/15b: Paul A.M. Dirac Papers, Florida State University Libraries

Рисунок 16: Фото Eric Long, Smithsonian National Air and Space Museum (NASM 2022-04542)

Рисунок 18: Из George Ellis, “Relativistic Cosmology” /Proceedings of the International School of Physics “Enrico Fermi”. Ed. R. K. Sachs (New York and London: Academic Press, 1971)

Рисунок 22: Коллекция фотографий, Caltech Archives/CMG Worldwide

Рисунок 26: © Фото Anna N. Zytkow

Рисунок 32: Личный архив проф. Андрея Линде

Рисунок 39: © Maximilien Brice/CERN

Рисунок 40: © Фото Paul Ehrenfest, любезно предоставлено AIP Emilio Segrè Visual Archives

Рисунок 44: © The New York Times / Belga image

Рисунок 47: Из John A. Wheeler, “Frontiers of Time” /Problems in the Foundations of Physics, Proceedings of the International School of Physics “Enrico Fermi”/ Ed. G. Toraldo di Francia (Amsterdam; New York: North- Holland Pub. Co., 1979/KB-National Library)

Рисунок 55: © M. C. Escher’s Circle Limit IV © 2022 The M.C. Escher Company, The Netherlands. All rights reserved. www.mcescher.com

Рисунок 56: Из John A. Wheeler, “Geons,” Physical Review 97 (1955): 511–36

Рисунок 58: © Фото Anna N. Zytkow

Рисунки на вклейке

Рис. 1: © Georges Lemaître Archives, Université catholique de Louvain, Louvain-la-Neuve, BE 4006 FG LEM 836

Рис. 2: First published in Algemeen Handelsblad, July 9, 1930, “AFA FC WdS 248”, Leiden Observatory Papers

Рис. 3: © Georges Lemaître Archives, Université catholique de Louvain, Louvain-la-Neuve, BE 4006 FG LEM 704

Рис. 4: Рublic domain

Рис. 5: © The New York Times Magazine. First published on Feb. 19, 1933.

Рис. 6: © Succession Brâncuși – all rights reserved (Adagp) / Centre Pompidou, MNAM-CCI /Dist. RMN-GP

Рис. 7: Впервые опубликовано: Thomas Wright, An Original Theory of the Universe (1750)

Рис. 8: M. C. Escher’s “Oog” © The M.C. Escher Company – Baarn, The Netherlands. All rights reserved. www.mcescher.com

Рис. 9: © ESA – European Space Agency / Planck Observatory

Рис. 10: © Science Museum Group (UK)/Science & Society Picture Library

Рис. 11: © Sarah M. Lee

Рис. 1. Жорж Леметр построил эту знаменитую диагpамму, отражающую эволюцию Вселенной, около 1930 года. В левом нижнем углу он написал t = 0, обозначив исходный момент времени, который впоследствии стал называться Большим взрывом.

Рис. 2. «Кто надувает воздушный шарик? В чем причина расширения Вселенной?» Шарж изображает голландского астронома Виллема де Ситтера, надувающего Вселенную наподобие воздушного шарика, в виде греческой буквы «лямбда», которой Эйнштейн обозначил космологическую константу λ.

Рис. 3. Набросок «колеблющейся в нерешительности Вселенной», сделанный Жоржем Леметром в его фиолетовом блокноте. Неуверенная кривая расширения рожденной из первичного атома Вселенной создает физические условия, делающие возможным возникновение жизни.

Рис. 4. Первоначальное древо жизни – набросок Чарльза Дарвина из его «Красного блокнота B». Набросок объясняет, как из общего предка могло бы возникнуть семейство родственных видов.

Рис. 5.

Рис. 6. «Начало мира», абстрактное вневременное яйцо – скульптура французского скульптора румынского происхождения Константина Бранкузи (1920).

Рис. 7. В своей книге «Оригинальная теория Вселенной» (1750) Томас Райт рисует бесконечную Вселенную, заполненную галактиками, «создающими безграничные громады… наподобие Млечного Пути». Картина Райта, в которой галактики заменены «островными вселенными», напоминает сегодняшнюю теорию мультивселенной, непрерывно творящей новые островные вселенные. Какой же из этих островных вселенных должна быть наша?

Рис. 8. «Глаз» Маурица Корнелиса Эшера напоминает нам о конечности человеческого бытия. Мы находимся внутри Вселенной, глядя вверх и вне ее, но не можем свободно парить за ее пределами.

Рис. 9. Распределение по различным направлениям в пространстве температуры реликтового космического микроволнового фона (CMB). Земля находится в центре сферы, образованной остаточным излучением, а распределение температуры излучения по сфере дает отпечаток структуры Вселенной спустя всего 380 000 лет после Большого взрыва. Сфера реликтового излучения отмечает и положение нашего космологического горизонта, дальше которого заглянуть мы не можем.

Рис. 10. Эта доска висела в кабинете Стивена Хокинга в Кембриджском университете, напоминая об организованной им в 1980 году конференции по супергравитации. Ранний Хокинг объявлял идею супергравитации основой потенциальной «теории всего».

Рис. 11. Стивен в своем кембриджском кабинете в 2012 году, незадолго до или вскоре после своего семидесятилетия. На заднем плане, на «второй доске», первые вычисления автора этой книги, которые впоследствии привели нас к взгляду на Вселенную как на голограмму. Поздний Хокинг считал, что в глубоком смысле теория Вселенной и ее наблюдения неразрывно связаны: мы творим Вселенную так же, как и она творит нас.

Примечания

1

Переиначенные (самим Хокингом?) слова девиза героев популярнейшего американского сериала о космических путешествиях Star Trek («Звездный путь»): To boldly go where no man has gone before («Храбро идти туда, куда не ступала нога человека»). В версии на экране компьютера эти слова звучат немного иначе: «Храбро идти туда, куда даже “Звёздный путь” боится заводить». Хокинг снялся в эпизоде одной из серий Star Trek, и фотография, которая висела в его кабинете, это кадр из фильма. – Примеч. пер.

2

После кончины Стивена эта доска вместе с другими реликвиями из его кабинета в Кембридже была приобретена и сохранена как национальное достояние фондом London Science Museum Group. Надписи на доске, как выяснилось, оставил не Стивен, а участники упомянутой конференции, длившейся целый месяц, – в частности, помогавший Хокингу в ее организации его тогдашний постдок Мартин Рочек, чей шаржированный портрет виден чуть справа от центра доски.

3

Christopher B. Collins and Stephen W. Hawking, “Why Is the Universe Isotropic?” // Astrophysical Journal 180 (1973): 317–34.

4

Стивен время от времени «одалживал» свой голос – составленный кем-то текст пропускали через его речевой синтезатор, а затем транслировали в эфир. Однако те, кто принадлежал к окружению Стивена, легко отличали сконструированные таким путем высказывания «под Хокинга» от его подлинных слов, которые всегда покоряли лаконичностью, ясностью мысли и фирменным чувством юмора. Хотя по ряду причин такая практика была необходима, в ней был и серьезный минус – из-за нее публичный образ Хокинга постепенно отдалялся от его реальной личности.

5

Леметр частенько делал сжатые наброски своих научных прозрений с одного конца своих блокнотов, а духовные размышления столь же неразборчиво записывал с другого, предусмотрительно оставляя в середине блокнота несколько незаполненных страниц, как будто не желая допускать смешения науки и религии.

6

Fred Hoyle, “The Universe: Past and Present Reflections” // Annual Review of Astronomy and Astrophysics 20 (1982): 1–36.

7

Steven Weinberg, “Anthropic Bound on the Cosmological Constant” // Physical Review Letters 59 (1987): 2607.

8

В русском фольклоре сюжет о Златовласке соответствует известной сказке «Три медведя». – Примеч. пер.

9

Paul Davies, The Goldilocks Enigma: Why Is the Universe Just Right for Life? (London: Allen Lane, 2006), 3.

10

Ignoramus et ignorabimus – «не знаем и не узнаем» (лат.) – крылатое выражение из доклада немецкого физиолога Эмиля Дюбуа-Реймона (1818–1896) «О пределах познания природы». – Примеч. ред.

11

Этот фрагмент дошел до нас благодаря Симпликию Киликийскому, который цитирует его в своих комментариях к «Физике» Аристотеля.

12

Galileo Galilei, Il Saggiatore (Rome: Appresso Giacomo Mascardi, 1623). Изд. на русском языке: Галилео Галилей, Пробирных дел мастер / Пер. Ю. А. Данилова. – М.: Наука, 1987.

13

Это высказывание приписывают Франсуа Араго.

14

Эти слова Поля Дирака приведены в книге: Graham Farmelo, The Strangest Man: The Hidden Life of Paul Dirac, Mystic of the Atom (New York: Basic Books, 2009), 435.

15

William Paley, Natural Theology; or, Evidences of the Existence and Attributes of the Deity, Collected from the Appearances of Nature (London: Printed for R. Faulder, 1802).

16

Charles Darwin, On the Origin of Species, рукопись, 1859.

17

Stephen Jay Gould, Wonderful Life: The Burgess Shale and the Nature of History (New York: Norton, 1989).

18

Это высказывание Чарльза Дарвина приводится в книге: Charles Henshaw Ward, Charles Darwin: The Man and His Warfare (Indianapolis: Bobbs-Merrill, 1927), 297.

19

Leonard Susskind, The Cosmic Landscape: String Theory and the Illusion of Intelligent Design (New York: Little, Brown, 2006). Изд. на русском языке: Сасскинд Л. Космический ландшафт: Теория струн и иллюзия разумного замысла Вселенной / Пер. с англ. А. Пасечника. – СПб.: Питер, 2015.

20

Конкретно, если двигаться от Солнца, Кеплер разместил сферу Меркурия, октаэдр, сферу Венеры, икосаэдр, сферу Земли, додекаэдр, сферу Марса, тетраэдр, сферу Юпитера, куб, и, наконец, сферу Сатурна.

21

Несмотря на название антропного принципа, ни Картер, ни кто-либо другой не думает о нем как об относящемся именно к человеческому роду; он скорее рассматривается как условие существования жизни вообще. Подробный разбор этой идеи см. в книге: John Barrow and Frank Tipler, The Anthropic Cosmological Principle (Oxford: Oxford University Press, 1986).

22

Andrei Linde, “Universe, Life, Consciousness”. Лекция, прочитанная в рамках программы Physics and Cosmology Group of the “Science and Spiritual Quest”, The Center for Theology and the Natural Sciences [CTNS], Berkeley, Calif., 1998.

23

Steven Weinberg, Living in the Multiverse. Доклад, прочитанный на симпозиуме Expectations of a Final Theory («В ожидании окончательной теории», состоявшемся в сентябре 2005 года в Тринити колледже, Кембридж, и опубликованный в книге Universe or Multiverse? Ed. B. Carr (Cambridge: Cambridge University Press, 2007).

24

Nima Arkani-Hamed, “Prospects for Contact of String Theory with Experiments”. Лекция на симпозиуме по теории струн: Strings 2019, Flagey, Brussels, July 9–13, 2019.

25

Хокинг повторил это в своей лекции “Космология сверху вниз” (Davis Meeting on Cosmic Inflation, University of California, Davis, March 22–25, 2003).

26

В своей книге The Structure of Scientific Revolutions (1962) (изд. на русском языке: Кун Т. Структура научных революций / Пер. с англ. И. З. Налетова. – М.: Прогресс, 1977) американский философ науки Томас Кун объясняет, что такие сдвиги парадигмы происходят, когда господствующая парадигма, в рамках которой развивается установившееся течение науки, становится несовместимой с новыми явлениями. Читатель мог бы спросить, какие именно «новые явления» возникли и вызвали потребность изменений в космологии на рубеже XXI столетия. Мне кажется, в основном это выполненные в самом конце 1990-х астрономические наблюдения ускоренного расширения Вселенной, нашедшие отклик в новых теоретических идеях теории струн, с точки зрения которых они служили примером случайной природы биофильности физических законов.

27

В середине 1970-х Хокинг, работая со своим студентом Бернардом Карром, обдумывал возможность существования малых черных дыр, которые могли образоваться в самом начале горячего Большого взрыва. Первичные черные дыры были бы горячее и излучали бы более интенсивно. На самом деле такие дыры с массой около 10^15 г – то есть с массой горы и размером с протон – взрывались бы как раз в текущую эпоху развития Вселенной. К большому разочарованию Стивена таких взрывов никто не наблюдал.

28

Georges Lemaître, “Rencontres avec Einstein,”: Revue des Questions scientifiques (Bruxelles: Société scientifique de Bruxelles, January 20, 1958), 129.

29

Жорж Леметр сказал это в своей последней публичной лекции «Вселенная и атом», которую он прочeл в 1963 году перед аудиторией, состоявшей из бывших студентов Лёвена. Он выбрал несколько более сильные выражения, чем те, в какие обычно облекал свою позицию, что, без сомнения, отражало его досаду на реакцию оппонентов. Глубокий анализ взглядов Леметра на отношения между наукой и религией (впрочем, до некоторой степени эволюционировавших), включая анализ и этой лекции, дал Доминик Ламбер в книге «Духовный путь Жоржа Леметра» (L’itinéraire spirituel de Georges Lemaître. Bruxelles: Lessius, 2007).

30

В 1892 году Томсон был удостоен титула 1-го барона Кельвина Ларгского: этот титул дан по названию речки Кельвин, протекавшей поблизости от его лаборатории в университете Глазго. Сегодня мы знаем о титуле лорда Кельвина в основном потому, что этим именем названа абсолютная шкала температур. Кельвин определил положение абсолютного нуля температуры примерно в минус 273,15 градусов по Цельсию. Он прославился еще одним эпическим предприятием: проложил первый трансатлантический телеграфный кабель между Ирландией и островом Ньюфаундленд. Приводимое выражение употреблено Кельвином в статье: Lord Kelvin, “Nineteenth Century Clouds over the Dynamical Theory of Heat and Light”// Philosophical Magazine 6, no. 2 (1901): 1–40.

31

Автор намекает на лимерик Артура Реджинальда Буллера (1937):

There was a young lady named Bright

Whose speed was far faster than light;

She set out one day

In a relative way

And returned on the previous night.

«Девчонка по имени Света

Умчалась с лучами рассвета,

А вернулась вчера

В полшестого утра —

Вот что значит лететь быстрее света!» – Примеч. пер.

32

Герман Минковский, «Пространство и время» (Raum und Zeit), лекция, прочитанная на 80-м Общем собрании Общества естествоиспытателей и врачей (General Meeting of the Society of Natural Scientists and Physicians) в Кёльне в сентябре 1908 года.

33

Цит. по: Abraham Pais, “Subtle Is the Lord—”: The Science and the Life of Albert Einstein (Oxford: Oxford University Press, 1982). Изд. на русском языке: Пайс А. Научная деятельность и жизнь Альберта Эйнштейна / Пер. с англ. В. И. и О. И. Мацарских. Под ред. А. А. Логунова. – М.: Наука, 1989.

34

Язык криволинейной или неевклидовой геометрии, использовавшийся Эйнштейном, был развит в столетии такими математиками, как Карл Фридрих Гаусс и Бернгард Риман. Они увидели, что обычные правила геометрии, которые многие из нас учили в школе, вроде знаменитой теоремы Пифагора или теоремы о том, что сумма углов треугольника составляет 180 градусов, на искривленных поверхностях не действуют. Например, сумма углов треугольника, нарисованного на поверхности апельсина (или на поверхности Земли), больше 180 градусов. До Гаусса и Римана искривленные поверхности всегда рассматривались как помещенные в нормальное трехмерное евклидово пространство. Но Гаусс показал, что геометрические свойства двумерных криволинейных поверхностей, такие как понятия прямой линии или угла, можно определить внутренним образом, безотносительно к чему бы то ни было вне их. Это открыло Риману путь к тому, чтобы представить как криволинейное и все трехмерное пространство, отличающееся, таким образом, от евклидового. Эйнштейн представлял себе пространство именно так, и он сделал следующий шаг: описал весь физический мир в терминах четырехмерной криволинейной геометрии пространства-времени. Искривленное пространство-время подчиняется правилам неевклидовой геометрии в четырех измерениях, не нуждаясь при этом в привлечении чего-то извне. Физически это, к примеру, означает, что Вселенная не нуждается для описания своего существования и расширения в помещении ее в некий объем большего размера.

35

John Archibald Wheeler and Kenneth Ford, Geons, Black Holes, and Quantum Foam: A Life in Physics (London: Norton, 1998), 235.

36

Pais, “Subtle Is the Lord.” Изд. на русском языке: Пайс А. Научная деятельность и жизнь Альберта Эйнштейна / Пер. с англ. В. И. и О. И. Мацарских. Под ред. А. А. Логунова. – М.: Наука, 1989.

37

Сообщение по спецкабелю для The New York Times, 10 ноября 1919 года.

38

Это значение радиуса появилось в физике вовсе не впервые. Еще в 1700-х Джон Мичелл и Пьер-Симон Лаплас в рамках механики Ньютона нашли, что сферическая масса M, сжатая до такого радиуса, имела бы скорость убегания, равную скорости света. Такой гипотетический объект не мог бы излучать частицы света; его можно рассматривать как предшественника понятия черной дыры.

39

См., например: Georges Lemaître, “L’univers en expansion,” Annales de la Société Scientifique de Bruxelles A53 (1933): 51–85. Английский перевод: “The Expanding Universe” // General Relativity and Gravitation 29, no. 55 (1997): 641–80.

40

На протяжении большей части своей жизни нормальная звезда поддерживает равновесие, не сжимаясь под действием собственной силы тяжести, благодаря тепловому давлению, обусловленному энергией ядерного синтеза – превращения ядер водорода в ядра гелия. Однако в конце концов звезда истощает свое ядерное топливо и сжимается. Если звезда с самого начала не слишком массивна, то давление, создаваемое отталкиванием между электронами (или между нейтронами и протонами), в конечном счете останавливает сжатие, и звезда стабилизируется в виде белого карлика (или нейтронной звезды). Однако американский астрофизик индийского происхождения Субраманьян Чандрасекар получил Нобелевскую премию за то, что в 1930 году доказал существование предельной массы белого карлика. А в 1939 году Роберт Оппенгеймер и Джордж Волков показали, что предельную массу имеют и нейтронные звезды. Конечный итог заключается в том, что не существует известного состояния вещества, которое могло бы остановить гравитационный коллапс достаточно массивных звезд – и, как полагают, они продолжают сжиматься, образуя черные дыры.

41

Roger Penrose, “Gravitational Collapse: The Role of General Relativity” // La Rivista Del Nuovo Cimento 1 (1969): 252–76.

42

Roger Penrose, “Gravitational Collapse and Space-time Singularities” // Physical Review Letters 14, no. 3 (1965): 57–59.

43

Уравнение Эйнштейна содержит в правой части величину 8πG/c^4, умножаемую на содержание массы и энергии в веществе. Количественное значение этой величины крайне мало, а это значит, что для того, чтобы хоть в малой степени деформировать пространство-время, описываемое левой частью уравнения, требуется огромное количество массы или энергии. Чтобы дать об этом какое-то представление, скажем, что масса всей планеты Земля деформирует пространство в ее окрестности по сравнению с нормальным евклидовым пространством на величину порядка 10-9.

44

Эйнштейн, письмо к Виллему де Ситтеру от 12 марта 1917 года; см.: Collected Papers, vol. 8. Eds. Albert Einstein, Martin J. Klein, and John J. Stachel (Princeton University Press, 1998): Doc. 311.

45

Для знакомства с более подробным изложением истории открытия расширения Вселенной рекомендую книгу Гарри Нуссбаумера и Лидии Бьери: Harry Nussbaumer and Lydia Bieri, Discovering the Expanding Universe (Cambridge: Cambridge University Press, 2009).

46

В своих работах Эйнштейн писал маленькую λ, но сейчас во всех работах и учебниках пишут заглавную букву L.

47

С удовольствием рекомендую биографию Жоржа Леметра: The Atom of the Universe, by Dominique Lambert (Kraków: Copernicus Center Press, 2015).

48

В русскоязычной литературе встречается также французское название этого города в Бельгии – Луве́н. – Примеч. ред.

49

Юм Д. Исследование о человеческом разумении. Пер. С. И. Церетели. – М.: Прогресс, 1995. – Примеч. пер.

50

Здесь Леметр цитирует Фому Аквинского: «Нет ничего в разуме, чего бы не было раньше в чувстве».

51

Жорж Леметр, «Странность Вселенной» (L’Etrangeté de l’Univers), лекция, прочитанная в 1960 году на Circolo di Roma; текст опубликован в Pontificiae Academiae Scientiarum Scripta Varia 36 (1972): 239.

52

Цефеиды – пульсирующие звезды, светимость которых увеличивается и падает с периодами от месяцев до одного дня. Генриетта Ливитт, одна из первых женщин-астрономов современной эпохи, заметила интересное соотношение между периодом пульсаций цефеид и их светимостью: у менее ярких цефеид периоды короче. Это значило, что наблюдения периодических изменений блеска цефеид можно использовать для измерения расстояний в космологии. Цефеиды стали первым надежным средством, которое позволило астрономам измерять расстояния до далеких объектов во Вселенной; этот метод мастерски применил Хаббл для оценки расстояний до спиральных туманностей.

53

Ловелловскую обсерваторию основал в 1894 году Персиваль Ловелл для изучения таинственных марсианских «каналов». В 1930 году здесь был открыт Плутон.

54

Спектральный анализ – разложение света на составляющие его цвета. Сдвиг спектра света, приходящего от астрономического объекта, можно измерить, сравнивая длину волны определенной спектральной детали с длиной волны той же детали, измеренной в земной лаборатории.

55

Vesto M. Slipher, “Nebulae” // Proceedings of the American Philosophical Society 56 (1917): 403–9.

56

Его статья была написана по-французски и опубликована в малоизвестном журнале Annales de la Société Scientifique de Bruxelles (Série A. 47 [1927]: 49–59). Название этой статьи: Un univers homogène de masse constante et de rayon croissant, rendant compte de la vitesse radiale des nébuleuses extragalactiques («[Модель] однородной Вселенной с постоянной массой и увеличивающимся радиусом для объяснения лучевых скоростей внегалактических туманностей») не оставляет сомнений в намерениях ее автора. При окончательном редактировании рукописи Леметр немного изменил заглавие, заменив variant («изменяющийся») на croissant («увеличивающийся»), – вероятно, чтобы укрепить связь своей модели с астрономическими наблюдениями, которые показывали, что галактики от нас удаляются.

57

Lambert, Atom of the Universe.

58

Из-за больших неопределенностей в измерении расстояний Леметр в выборке галактик, оценки расстояний до которых были опубликованы Хабблом, разделил среднее значение скоростей галактик на среднее значение расстояний до них – это помогло усреднить неопределенности каждого индивидуально измеренного расстояния.

59

Стремясь продолжить разговор с Эйнштейном, Леметр сел в такси, на котором Эйнштейн поехал в лабораторию своего бывшего берлинского студента Огюста Пиккара. Во время поездки Леметр стал говорить о наблюдаемом удалении туманностей и о том, что оно могло свидетельствовать о расширении Вселенной. Однако, по его воспоминаниям, это ни к чему не привело: у него осталось впечатление, что Эйнштейн не только ничего не знал о последних астрономических наблюдениях, но и не проявлял к ним никакого интереса.

60

Интересы Фридмана были очень широки – они простирались от чисто математических аспектов теории относительности до сенсационных высотных полетов на аэростатах для исследования воздействия больших высот на организм человека. До 1925 года ему принадлежал мировой рекорд по высоте подъема на аэростате – 7400 метров, выше самой высокой горной вершины в России. Он умер несколько месяцев спустя, по-видимому, от сыпного тифа, в возрасте тридцати семи лет.

61

Как и Эйнштейн, Леметр в силу своих философских позиций определенно был сторонником картины пространственно конечной Вселенной.

62

В 2018 году Международный астрономический союз принял резолюцию о том, что это соотношение следует называть законом Хаббла – Леметра.

63

По закону Хаббла галактики удаляются от Земли со скоростью, пропорциональной их расстоянию. На основании усовершенствованных наблюдений двадцати четырех галактик Хаббл получил значение постоянного коэффициента пропорциональности H, равное 513 км/с на каждые три миллиона световых лет – что не очень отличалось от значения, полученного ранее Леметром. Хаббл и Хьюмасон интерпретировали свои наблюдения в терминах обычного доплеровского сдвига.

64

Эйнштейн, письмо к Толмену, 1931. См.: Albert Einstein Archives, Archivnummer 23-030.

65

Arthur Stanley Eddington, The Expanding Universe (Cambridge: Cambridge University Press, 1933), 24.

66

Georges Lemaître, Evolution of the expanding universe // Proceedings of the National Academy of Sciences, 20, 12–17.

67

Атенеум – клуб преподавателей в кампусе Калифорнийского технологического института в Пасадене; «маленькая овечка» – непереводимый каламбур, основанный на сходстве слов «лямбда» и lamb («овечка») – Примеч. пер.

68

Эйнштейн, письмо к Леметру, 1947. См.: Archives Georges Lemaître, Université catholique de Louvain, Louvain-la-Neuve, A4006.

69

Наблюдения красного смещения, выполненные Хабблом и Хьюмасоном, позволили заглянуть в прошлое всего на несколько миллионов световых лет. Следовательно, их измерения определили скорость расширения в относительно недавние эпохи, но ничего не сказали о том, как эта скорость менялась на протяжении всей истории Вселенной. В «золотые 1990-е» спектральные наблюдения ярких вспышек сверхновых, которые можно наблюдать на расстояниях в миллиарды световых лет, позволили реконструировать ход расширения Вселенной на миллиарды лет назад. В результате оказалось, что около пяти миллиардов лет назад Вселенная перешла от замедляющегося расширения к ускоренному.

70

Georges Lemaître, Discussion sur l’évolution de l’univers (Paris: GauthierVillars, 1933), p 15–22.

71

Леметр принадлежал к новой генерации математиков-астрономов, которые были убеждены, что в астрономии будущего сыграют огромную роль не только чисто математический подход, но и компьютерное программирование. Его собственные вычислительные исследования были очень тесно связаны с прогрессом в компьютерной технике. В начале 1920-х он помогал Вэннивару Бушу в MIT, пытаясь применить дифференциальный анализатор к решению задачи Штермера. Впоследствии в своих вычислениях траекторий космических лучей он перешел от таблиц логарифмов к ручным механическим арифмометрам, от них – к настольным электрическим калькуляторам и механическим автоматизированным счетным машинам, и, наконец, осуществил свою мечту, когда Дуглас Хартри предоставил ему доступ к вычислительной машине на электронных лампах, разрабатывавшейся в 1950-х в Кембриджском университете.

72

Arthur S. Eddington, “The End of the World: from the Standpoint of Mathematical Physics” // Nature 127, no. 2130 (March 21, 1931): 447–53.

73

Lemaître, Revue des Questions scientifiques.

74

Lemaître, “L’univers en expansion”.

75

Georges Lemaître, “The Beginning of the World from the Point of View of Quantum Theory” // Nature 127, no. 2130 (May 9, 1931): 706.

76

П. А. М. Дирак в лекции «Отношения между математикой и физикой» (P. A. M. Dirac, “The Relation Between Mathematics and Physics,”), прочитанной им 6 февраля 1939 года на вручении премии им. Джеймса Скотта и опубликованной в Proceedings of the Royal Society of Edinburgh 59 (1938–39, Part II): 122–29.

77

Fred Hoyle, “The Universe: Past and Present Reflections” // Annual Review of Astronomy and Astrophysics 20 (1982): 1–36.

78

Fred Hoyle, The Origin of the Universe and the Origin of Religion (Wakefield, R.I.: Moyer Bell, 1993).

79

Множество историй из яркой жизни Гамова можно найти в его автобиографии: My World Line: An Informal Autobiography (New York: Viking Press, 1970). Изд. на русском языке: Гамов Дж. Моя мировая линия: неформальная автобиография / Предисл. С. Улама; пер. с англ., коммент. и доп. материалы Ю. И. Лисневского. – М.: Наука: Изд. фирма «Физ. – мат. лит.», 1994.

80

Более тяжелые химические элементы, такие как углерод, были синтезированы гораздо позже в процессе термоядерного горения в недрах звезд. Еще более тяжелые элементы, тяжелее железа, образовались еще позже – либо при взрывах сверхновых, либо в бурных процессах слияния нейтронных звезд. Эти и другие процессы и создали все химическое разнообразие сегодняшней Вселенной. Самые экзотические элементы синтезируются сейчас в физических лабораториях Земли (а может быть, и где-то еще).

81

Lambert, Atom of the Universe.

82

В 1615 году Галилей написал свое знаменитое письмо об отношениях между наукой и религией, адресованное Кристине Лотарингской, Великой герцогине Тосканской. В нем ученый приводит слова одного из высших иерархов Церкви – по всей видимости, кардинала Цезаря Барония, директора Ватиканской библиотеки: «Ибо намерение Святого Духа – учить нас, как взойти на небо, но не как движутся небеса».

83

Quoted in Duncan Aikman, “Lemaitre Follows Two Paths to Truth” // The New York Times Magazine, February 19, 1933 (см. рис. 5 на вклейке).

84

Georges Lemaître, “The Primaeval Atom Hypothesis and the Problem of the Clusters of Galaxies,” в La structure et l’evolution de l’univers: onzieme conseil de physique tenu a l’Universite de Bruxelles du 9 au 13 juin 1958. Ed. R. Stoops (Bruxelles: Institut International de Physique Solvay, 1958): 1–30. Восходящее к пророку Исайе понятие Скрытого Бога (Deus Absconditus) было постоянным лейтмотивом в мышлении Леметра. Например, в рукописи его «манифеста Большого взрыва», опубликованного в журнале Nature в 1931 году, в конце помещен краткий параграф – вычеркнутый автором перед публикацией, – в котором он пишет: «Думаю, что каждый, кто верует в высшее существо, стоящее за любым бытием и любым действием, верует также, что Богу присуща скрытность и что он, возможно, радуется, видя, как современная физика заботится о покрове, скрывающем акт творения».

85

Lemaître, “The Primaeval Atom Hypothesis and the Problem of the Clusters of Galaxies”.

86

Либретто оперы, пер. В. Чешихина. – Примеч. пер.

87

Stephen Hawking, My Brief History (New York: Bantam Books, 2013), 29. Изд. на русском языке: Хокинг С. Моя краткая история / Пер. с английского О. Н. Арефьевой. – М.: АСТ, ОГИЗ, 2019.

88

Вот, например, одна из таких неувязок. Обзоры радиоисточников, впоследствии получивших название квазаров, показывали, что эти источники распределялись по небу довольно равномерно. Это значило, что они, по всей вероятности, находятся вне нашей Галактики. Однако выяснилось, что слабых источников такого типа слишком много – то есть их плотность в далеком прошлом была гораздо выше, чем сейчас, что совершенно не вязалось с неизменной стационарной картиной Вселенной.

89

Как и Пенроуз, Стивен идентифицировал «точку невозврата», а именно образование антиловушечной поверхности, с которой во всех направлениях расходятся световые лучи. Он показал, что если где-то однажды образовалась антиловушечная поверхность, то за какое-то время до этого там должна была находиться сингулярность.

90

George F.R. Ellis, “Relativistic Cosmology,” in Proceedings of the International School of Physics “Enrico Fermi,” Course 47: General Relativity and Cosmology. Ed. R. K. Sachs (New York and London: Academic Press, 1971), 104–82.

91

Цит. по: General Relativity and Gravitation: A Centennial Perspective, A. Ashtekar, B. Berger, J. Isenberg, M. Maccallum, eds. (Cambridge: Cambridge University Press, 2015), 19.

92

Ньютон – заметим, тесно связанный с Колледжем Св. Троицы (Тринити-колледж) – отвергал решение Никейского собора, что Отец и Сын происходят из одной и той же субстанции.

93

Борий не следует путать с другим элементом, который называется бор, но к Нильсу Бору не имеет никакого отношения! – Примеч. пер.

94

В феврале 1934 года во время одного из восхождений король сорвался со скалы и погиб. – Примеч. ред.

95

Hendrik A. Lorentz, “La théorie du rayonnement et les quanta,”: in Proceedings of the First Solvay Council, Oct 30–Nov 3, 1911. Eds. P. Langevin and M. de Broglie (Paris: Gauthier-Villars, 1912), 6–9.

96

Принцип неопределенности Гейзенберга идет рука об руку с квантовой гипотезой Планка. Представьте, что вы хотите измерить положение частицы. Для этого вам необходимо на эту частицу посмотреть – к примеру, осветив ее. Чтобы измерить положение частицы с большей точностью, вам придется использовать свет с более короткой длиной волны. Однако, согласно квантовой гипотезе Планка, при этом вам понадобится хотя бы один квант света. Этот квант немного нарушит состояние частицы, непредсказуемо изменив ее скорость. Чем короче длина волны единичного кванта, тем выше его энергия и тем больше результирующая неопределенность в скорости частицы. Принцип неопределенности Гейзенберга позволяет описать эту ситуацию количественно: он постулирует, что произведение неопределенности положения частицы на неопределенность ее импульса не может быть меньше, чем некоторая величина h, называемая постоянной Планка. Значение постоянной Планка можно определить экспериментально; это одна из фундаментальных постоянных природы, наряду со скоростью света c и постоянной тяготения Ньютона G. В уравнение Эйнштейна:

обе последние константы входят – но примечательно, что квантовая постоянная Планка в этом классическом (не квантовом!) уравнении отсутствует.

97

Данное Шрёдингером описание частиц через волны вероятности объясняет и ранние квантовые эксперименты с атомами. Возьмем, например, электрон на орбите вокруг атомного ядра. Если мы рассматриваем электрон как волну, то длина орбиты будет соответствовать целому числу длин волн этого электрона лишь для некоторых определенных орбит. Для этих орбит максимум волны каждый раз будет приходиться на один и тот же участок орбиты – волны будут складываться и усиливать друг друга. Эта картина в точности соответствует квантованным орбитам Бора.

98

Erwin Schrödinger, Science and Humanism: Physics in Our Time (Cambridge: Cambridge University Press, 1951), 25. Изд. на русском языке: Шрёдингер Э. Наука и гуманизм: Физика в наше время / Пер. с англ. А. В. Монакова. – М., Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2001.

99

Полный ярких подробностей рассказ о научном и личном общении между Ричардом Фейнманом и Джоном Уилером можно найти в замечательной книге Пола Халперна: Paul Halpern, The Quantum Labyrinth (New York: Basic Books, 2018). Изд. на русском языке: Халперн П. Квантовый лабиринт: Как Ричард Фейнман и Джон Уилер изменили время и реальность / Пер. с англ. Д. Л. Казакова. – М.: Бомбора, 2019.

100

Это высказывание Фримена Дайсона о Фейнмане, относящееся к 1980 году, процитировано в книге: Nick Herbert, Quantum Reality: Beyond the New Physics (Garden City, N.Y.: Anchor Press, 1987).

101

Представьте, что мы хотим обмануть природу, установив у одной из щелей устройство, которое позволит узнать, какой из возможных путей электрон выбирает в действительности. Установив этот дополнительный приемник, мы, конечно, увидим каждый электрон, проходящий через эту или через вторую щель. Однако мы также увидим, что интерференционная картина на экране исчезла. Дело в том, что, установив новое устройство, мы теперь задаем природе другой вопрос, выбирая, таким образом, и другое множество историй. Добавив новое устройство, мы спрашиваем: «Какой путь выбрал электрон?» Чтобы ответить на этот вопрос, согласно фейнмановской схеме «суммирования по историям», мы должны сложить все пути электрона, проходящие через данную щель. Очевидно, это даст нам и полную вероятность прохождения через эту щель, то есть 50 %. Но, заставив электрон раскрыть эту информацию, мы также удалили все истории, включающие прохождение через вторую щель, а значит, и уничтожили вероятность интерференции между обоими множествами траекторий между щелями и экраном. Интерференционная картина возникает, только если экспериментатор не делает попыток определить, через какую из щелей прошел любой данный электрон.

102

При помощи подвешенного к потолку аудитории маятника, грузом которого служил тяжелый мяч для боулинга, Фейнман эффектно демонстрировал студентам действие закона сохранения энергии. – Примеч. пер.

103

James B. Hartle and S. W. Hawking, “Path-Integral Derivation of Black Hole Radiance” // Physical Review D 13 (1976): 2188–203.

104

В надлежащее время появится возможность больше узнать о том, как рождалась гипотеза об отсутствии границы: в архивах UCSB хранится большая синяя папка-скоросшиватель с наклейкой «81–82 Wave Function». Джим Хартл педантично сохранил в ней свою переписку со Стивеном, которую они вели все эти два критических года.

105

У. Шекспир, «Гамлет». Пер. Б. Пастернака. – Примеч. пер.

106

Джим Хартл, частное сообщение.

107

Выход Великобритании из Европейского союза; от англ. Brexit: Britain (Британия) + exit (выход). – Примеч. ред.

108

Диаметр сигары соответствует температуре черной дыры, измеряемой удаленным наблюдателем. Чем больше диаметр сигары, тем ниже температура черной дыры. При данном значении массы диаметр определяется в евклидовых координатах при условии гладкости геометрии в концевой точке – то есть как на сфере, а не как на конусе. Таким способом квантовое поведение черной дыры закодировано в ее евклидовой геометрии.

109

Gary W. Gibbons and S. W. Hawking, eds. Euclidean Quantum Gravity (Singapore; River Edge, N. J.: World Scientific, 1993), 74.

110

Sidney Coleman, “Why There Is Nothing Rather Than Something: A Theory of the Cosmological Constant” // Nuclear Physics B 310, nos. 3–4 (1988): 643.

111

Тематические обсуждения такого рода были учреждены монсиньором Леметром в 1960-х, в бытность его президентом Папской академии наук.

112

Обращение Его Святейшества папы Иоанна Павла II, опубликовано в Astrophysical Cosmology: Proceedings of the Study Week on Cosmology and Fundamental Physics. Eds. H. A. Brück, G. V. Coyne, and M. S. Longair (Città del Vaticano: Pontificia Academia Scientiarum: Distributed by Specola Vaticana, 1982).

113

Если верить кембриджскому фольклору, в действительности Уотсон и Крик открыли структуру ДНК в пабе «Орел» на противоположной стороне улицы.

114

В те времена он любил угощать очень острым карри.

115

Для того чтобы шутить в узком кругу, с теми, кто, обступив его, заглядывал через его плечо и следил за каждым появляющимся на экране словом, Стивен изобрел замысловатый способ строить шутки так, чтобы до последнего слова было непонятно, высказывает он серьезную и глубокую мысль или просто шутит.

116

Теория горячего Большого взрыва предсказывает также существование космического нейтринного фона (CNB), и даже космического гравитонного фона. CNB, если бы удалось его наблюдать, позволил бы увидеть Вселенную такой, какой она была спустя всего несколько секунд после своего рождения.

117

Georges Lemaître, L’hypothèse de l’atome primitif: Essai de cosmogonie (Neuchâtel: Editions du Griffon, 1946).

118

Bernard J. Carr et al., Biographical Memoirs of Fellows of the Royal Society: Stephen William Hawking CH CBE, 8 January 1942–14 March 2018 (London: Royal Society, 2019).

119

Европейский центр ядерных исследований.

120

В теории Ньютона гравитация возникает только благодаря массе и энергии объекта. Однако в общей теории относительности в тяготение объекта, в то, как именно он изгибает пространство-время, вносит вклад и давление. Более того, в отличие от массы, которая всегда положительна, давление может быть и отрицательным. Знакомый пример отрицательного давления – сила, которая стремится снова сжать растянутую резиновую ленту. В теории Эйнштейна положительное давление, как и положительная масса, вносит в гравитацию положительный вклад, но отрицательное давление ведет к возникновению силы отталкивания, или антигравитации.

121

Вообще-то это был второй по счету Наффилдовский симпозиум, устроенный Стивеном в Кембридже. Первый, посвященный супергравитации, был не менее памятным событием. Как шутливо резюмировал Стивен, его организовали, «чтобы наглядно показать, как можно прекрасно провести четыре недели». Знаменитая лекционная доска, которой пользовались докладчики на этой конференции, украшала кабинет Стивена до конца его жизни (см. рис. 10 на вклейке).

122

Среди главных создателей этих теоретических предсказаний – Геннадий Чибисов, Вячеслав Муханов и Алексей Старобинский, работавшие в России, и западные ученые – Джеймс Бардин, Алан Гут, Стивен Хокинг, Со-Ён Пи, Пол Стейнхардт и Майкл Тёрнер.

123

G. W. Gibbons, S. W. Hawking, and S.T.C. Siklos, eds. The Very Early Universe: Proceedings of the Nuffield Workshop, Cambridge, 21 June to 9 July, 1982 (Cambridge; New York: Cambridge University Press, 1983).

124

Одна из виртуальных частиц, образующих пару, обладает положительной энергией, а другая – отрицательной. Частица с отрицательной энергией в обычном пространстве-времени сохранять существование не может: ей приходится искать своего партнера с положительной энергией и аннигилировать с ним. Черная дыра, однако, содержит состояния с отрицательной энергией. Поэтому, если принадлежавшая паре виртуальная частица с отрицательной энергией падает в черную дыру, она может продолжать существовать, не аннигилируя со своей партнершей, и последняя получает возможность ускользнуть. Отрицательная энергия частицы, падающей в черную дыру, немного понижает массу последней – именно поэтому излучение Хокинга заставляет черные дыры постепенно съеживаться и в конце концов исчезать.

125

Самые первые признаки того, что во Вселенной содержится больше массы, чем мы видим, восходят к выполненным еще в 1930-х годах швейцарским астрономом Фрицем Цвикки наблюдениям скоплений галактик. Цвикки установил, что некоторые входящие в скопления галактики имеют неожиданно большие скорости. Это значило, что для того, чтобы такие скопления оставались гравитационно связанными, там должно было находиться гораздо больше вещества, чем можно было предполагать по видимому количеству находящихся в них звезд. В 1970-х американский астроном Вера Рубин наблюдала похожий эффект в периферийных частях индивидуальных галактик: для того чтобы вращаться с наблюдаемой скоростью, рукава спиральных галактик тоже должны быть погружены в облако темной материи.

126

Две группы астрономов, входившие, соответственно, в High-Z Supernova Project под руководством Адама Риса и Брайана Шмидта и в Supernova Cosmology Project, руководимый Солом Перлмуттером, измеряли яркость и красное смещение света взрывающихся звезд, называемых сверхновыми. Эти вспышки настолько ярки, что их можно наблюдать даже в далеких галактиках. Так как собственная яркость таких сверхновых известна, исследователи могли использовать эти вспышки для измерения расстояний до объектов в глубине Вселенной. Объединяя такие измерения с наблюдениями красного смещения, обе группы смогли установить численные параметры закона Хаббла – Леметра, связывающего расстояния до объектов и скорости их удаления, на глубину в миллиарды световых лет. Это позволило реконструировать ход расширения Вселенной на миллиарды лет назад. К изумлению ученых, измерения показали, что расширение Вселенной примерно пять миллиардов лет назад начало ускоряться. За это открытие Перлмуттер, Рис и Шмидт в 2011 году получили Нобелевскую премию по физике.

127

По-прежнему остаются сомнения: объясняется ли текущее ускорение расширения Вселенной истинным постоянным значением космологической константы или на него влияет очень медленно меняющееся скалярное поле, что-то вроде остаточного инфлатонного поля. В первом случае отношение давления к плотности энергии было бы в точности равно минус 1, в то время как в последнем оно было бы больше минус 1. Это различие может показаться не слишком существенным, но от него зависит темп ускорения расширения в очень далекой перспективе, а значит, в конечном счете оно и определяет дальнейшую судьбу Вселенной. Поэтому не прекращаются попытки определить это отношение с наибольшей возможной точностью.

128

С тех пор на горизонте появилось небольшое облачко. Астрономические наблюдения на относительно небольших расстояниях, такие как измерения спектров сверхновых, дают значение скорости расширения Вселенной 73 км/с на каждый мегапарсек расстояния. С другой стороны, скорость расширения, полученная из наблюдений космического микроволнового фона на основе общей теории относительности, приводит к несколько отличающемуся результату: примерно 67 км/с на мегапарсек. Это расхождение известно сейчас как «напряжение Хаббла» или «проблема Хаббла», хотя его стоило бы называть «проблемой Хаббла – Леметра». Космологи рьяно ищут объяснения этому расхождению. Не может ли оно стать «моментом Меркурия» для общей относительности – знаком, что теория нуждается в некоторой коррекции? Как говорится, «оставайтесь с нами»!

129

Знаменитая строка из поэмы Т. С. Элиота «Полые люди» в переводе А. Сергеева. – Примеч. пер.

130

В обычной квантовой механике, где не учитывается тяготение, волновые функции подчиняются уравнению Шрёдингера, которое предписывает им, как они должны меняться со временем. Время в рамках обычной квантовой механики – единственная величина, которая не интерферирует ни с какой другой. Физики, не встречая никаких трудностей, в рамках квантовой механики вычисляют вероятности тех или иных наблюдательных результатов на точно определенные моменты времени. Все это, однако же, возможно только потому, что обычная квантовая механика исходит из предположения о существовании фиксированного и определенного пространственно-временного фона, на котором и эволюционируют волновые функции частиц. В квантовой космологии, напротив, само пространство-время имеет квантовомеханическую и флуктуирующую природу. Вследствие этого в нашем распоряжении больше нет ничего, что могло бы функционировать как универсальные часы. Не следует поэтому удивляться, что время не участвует в квантовом описании Вселенной как целого. Да, это верно, что волновая функция Вселенной подчиняется абстрактной версии уравнения Шрёдингера, впервые записанной Джоном Уилером и Брюсом Де-Виттом, но это не является динамическим законом. Это больше похоже на лишенное времени ограничение волновой функции во всей ее полноте.

131

S. W. Hawking and N. Turok, “Open Inflation without False Vacua” / Physics Letters B 425 (1998): 25–32.

132

Насколько мне известно, идею вечной инфляции впервые высказал Линде в своем докладе «Новый сценарий инфляционной Вселенной»: The Very Early Universe: Proceedings of the Nuffield Workshop, Cambridge, 21 June to 9 July, 1982. Eds. G. W. Gibbons, S. W. Hawking, and S. T. C. Siklos (Cambridge; New York: Cambridge University Press, 1983), 205–49.

133

Linde, “Universe, Life, Consciousness”.

134

Вы можете спросить, как вечная инфляция и мультивселенная обходят теорему Хокинга о том, что в прошлом должна была существовать сингулярность. Как показали Гут, Виленкин и Арвинд Борде, никакого противоречия между этими понятиями нет. Теория вечной инфляции всего лишь отодвигает сингулярность гораздо дальше в прошлое. Остаются, однако, большие сомнения в том, что инфляция может быть истинно вечной.

135

Аббревиатура ATLAS расшифровывается как A Toroidal LHC Apparatus – Тороидальный аппарат БАК. – Примеч. пер.

136

Антипротон – античастица протона. Ее электрический заряд равен минус 1, что противоположно электрическому заряду протона плюс 1. В своей нобелевской лекции в 1933 году Поль Дирак предсказал существование антипротона на основании уравнения, которое носит его имя. Впервые антипротон был обнаружен экспериментально в 1955 году на ускорителе «Беватрон» в Беркли. Сейчас антипротоны регулярно регистрируются в космических лучах.

137

Дело в том, что бозон Хиггса теоретически должен существовать в окружении более тяжелых частиц, которые еще предстоит найти. В результате такого перемешивания его масса, а с ней и масса всего остального вещества, должна расти. Однако ничего подобного не наблюдается. В физике частиц эта загадка известна под названием проблемы иерархии: имеется ярко выраженная иерархия, громадное различие между относительно низкими массами и энергиями элементарных частиц в Стандартной модели и гораздо большими масштабами энергий в природе, вплоть до планковских масштабов, на которых, как считают физики, становятся важными микроскопические эффекты квантовой гравитации. Теоретики предположили, что за поддержание низкого значения массы бозона Хиггса может быть ответственна экзотическая симметрия – так называемая суперсимметрия. Согласно ее правилам, у каждой частицы вещества есть обменная частица-партнер; таким образом, суперсимметрия по сути удваивает число типов элементарных частиц. И это удвоение в рамках суперсимметрии происходит так, что различные вклады в массу Хиггса идеально компенсируют друг друга – поэтому бозон остается легким. Однако поиски предсказываемых суперсимметрией частиц-партнеров на Большом адронном коллайдере оказались неудачными, что возбудило кое у кого сомнения в их существовании.

138

Аллюзия на название знаменитого романа Милана Кундеры «Невыносимая легкость бытия». – Примеч. пер.

139

Цитируется по тексту лекции, прочитанной Дираком при получении премии Джеймса Скотта. По сути, Дирак сделал очень специфическое предположение. Он заметил, что три различные комбинации некоторых фундаментальных постоянных дают примерно одно и то же огромное число: 10^39. Дирак считал, что это не может быть просто совпадением, и предположил, что эти постоянные взаимосвязаны в рамках какого-то более глубокого закона. Радикальной частью предположения Дирака было то, что в качестве одной из «постоянных», которые он вводил в некоторые из своих комбинаций, он использовал нынешний возраст Вселенной. Разумеется, возраст Вселенной постепенно изменяется; таким образом, приписывая получаемым им численным совпадениям фундаментальное значение, Дирак предполагал, что с течением времени изменяется и одна из традиционных фундаментальных постоянных природы. В жертву своим построениям Дирак принес самую старую из мировых констант: постоянную тяготения Ньютона G – чтобы его арифметические подсчеты сошлись, она должна была меняться обратно пропорционально возрасту Вселенной. Но это оказалось ошибкой: во вселенной, где гравитация ослабевает со временем, энерговыделение Солнца должно было быть в сравнительно недалеком прошлом значительно больше. Это заставило бы океаны Земли выкипеть еще в эпоху докембрия, и жизнь в той форме, в какой мы ее знаем, не могла бы развиться.

140

Идея, что дополнительные измерения пространства могут иметь отношение к унификации сил, восходит к опубликованной в 1920-х работе немецкого математика Теодора Калуцы и шведского физика Оскара Кляйна. Калуца обнаружил, что уравнение Эйнштейна в приложении к вселенным с одним временным и четырьмя пространственными измерениями, описывает не только тяготение в знакомом нам четырехмерном пространстве-времени, но и максвелловские уравнения электромагнетизма. В схеме Калуцы электромагнетизм возникает из «ряби», распространяющейся в четвертом пространственном измерении. Затем Кляйн предположил, что, если это дополнительное измерение очень мало, оно вполне может быть недоступно нашим чувствам. Объединенная схема Калуцы и Кляйна представляет собой ранний пример унифицирующих возможностей дополнительных измерений.

141

Leonard Susskind, “The Anthropic Landscape of String Theory,” in Universe or Multiverse? Ed. B. Carr (Cambridge: Cambridge University Press, 2007), 247–66.

142

Космологическая постоянная не может быть и большой отрицательной величиной – это привело бы к добавочному притяжению, из-за которого (островная) вселенная снова сжалась бы, и прежде чем галактики успели образоваться, произошло бы «большое схлопывание».

143

Причина этого в том, что если (островная) вселенная начинает свое постинфляционное существование с бо́льшими первичными вариациями плотности, то процесс роста крупномасштабных структур может лучше противостоять расталкивающему их изнутри давлению космологической постоянной. Это обстоятельство на несколько порядков расширяет диапазон значений λ, совместимых с существованием галактик.

144

Рассмотрим, например, два вида островных вселенных в космическом ландшафте, которые одинаково благоприятны для обитания, но обладают разными частицами, образующими темную материю (при одном и том же полном ее количестве). Представим, что в одной из этих вселенных дополнительные скрученные измерения струнной теории порождают очень тяжелые частицы темной материи, которые невозможно получить в земных ускорителях частиц, а в другой вселенной темная материя состоит из более легких частиц, которые можно будет обнаружить на ускорителях следующего после БАКа поколения. Итак, следует ли нам рассчитывать на обнаружение частиц темной материи, когда мы запустим очередной коллайдер? На этот вопрос очень хотели бы получить ответ физики-экспериментаторы (не говоря уж о правительствах и организациях, заинтересованных в публичной поддержке физических исследований). Ясно, что антропный принцип получить такой ответ не поможет: с антропной точки зрения вселенные обоих типов одинаково хороши. Для решения вопроса нам нужна была бы теоретическая база, которая позволяет взвесить относительное правдоподобие ответов для обоих типов вселенных, не прибегая к случайному выбору на антропной основе. Мы вернемся к этой теме в следующей главе – в ней я постараюсь объяснить, что именно такую теоретическую базу и обеспечивает правильный квантовый подход к космологии.

145

Убедительная критика случайного отбора в космологии дана в работе: James B. Hartle and Mark Srednicki, “Are We Typical? ”// Physical Review D 75 (2007): 123523.

146

Некоторые из отцов-основателей космологии тоже понимали, что априорные вероятности или представления о типичности не слишком помогают при рассмотрении уникальной системы. Размышляя над квантовым происхождением Вселенной, Леметр сказал: «Расщепление [первичного] атома могло произойти многими способами. Тот из них, который имел место в действительности, мог быть очень маловероятным». Похожее замечание сделал Дирак в письме к Гамову, который критиковал дираковскую теорию образования Солнечной системы в условиях изменяющейся со временем гравитации на том основании, что в таком случае история эволюции Солнца должна была выглядеть крайне маловероятной. Возражая на это, Дирак соглашался с тем, что в его теории эволюция Солнца выглядит неправдоподобно, но утверждал, что эта неправдоподобность не имеет значения. «Если мы рассмотрим все звезды, у которых есть планеты, то увидим, что только малая часть их была окружена облаками с подходящей плотностью… Однако, раз уж одна такая звезда существует, это достаточное основание для механизма, подтверждающего факты. Поэтому нет возражений против того, чтобы предположить, что у Солнца была очень необычная и маловероятная история».

147

Частное сообщение.

148

Зато потом, при вылете из Узбекистана, у нас были серьезные неприятности из-за того, что мы незаконно въехали туда через закрытую границу.

149

Суть разговоров, описанных в первой части этой главы, в опубликованном виде можно найти здесь: S. W. Hawking and Thomas Hertog, “Populating the Landscape: A Top-Down Approach” // Physical Review D 73 (2006): 123527; и здесь: S. W. Hawking, “Cosmology from the Top Down,” Universe or Multiverse? Ed. Bernard Carr (Cambridge: Cambridge University Press, 2007), 91–99. См. также заметку Аманды Гефтер “Mr. Hawking’s Flexiverse” // New Scientist 189, no. 2548 (April 22, 2006): 28.

150

Коперник обосновывал свою гелиоцентрическую модель ее математической простотой, а не лучшим согласием с астрономическими наблюдениями. Первые версии коперниканской модели Солнечной системы предполагали круговые орбиты планет и давали почти такие же предсказания видимых движений Солнца и планет, что и геоцентрическая модель Птолемея. Идея, что планеты движутся не по окружностям, а по эллипсам, главное новшество в тысячелетней картине астрономических представлений, была выдвинута в 1609 году Иоганном Кеплером в его труде «Новая астрономия» – это была попытка согласовать новую теорию Коперника с улучшенными астрономическими данными, полученными Тихо Браге, предшественником Кеплера. Но даже результаты улучшенной Кеплером гелиоцентрической модели могли быть воспроизведены в системе Птолемея путем добавления нескольких добавочных эпициклов. Первые решительные наблюдательные доказательства в пользу гелиоцентризма и против старой системы Птолемея появились только после телескопических наблюдений Галилея. Он увидел, что у Венеры есть фазы, похожие на лунные, что никакими расширениями теории Птолемея объяснить уже было нельзя.

151

Архимедова точка – гипотетическая точка зрения, с которой наблюдатель может объективно воспринимать предмет исследования; отправная точка, с которой можно рассуждать. – Примеч. ред.

152

Древнегреческий ученый Архимед из Сиракуз экспериментировал с рычагом, поднимая тяжелые грузы. По легенде, после успешного опыта он воскликнул: «Дайте мне точку опоры, и я сдвину с места Землю».

153

Что касается самого Коперника, если он и был революционером, то очень умеренным. Его главный труд «О вращении небесных сфер» был отдан в печать в 1543 году, незадолго до его кончины, и произвел поначалу довольно скромный эффект. Более того, чтобы успокоить читателей, Коперник указал, что в его гелиоцентрической модели Земля все равно находится «почти» в центре мироздания. Он писал: «Хотя Земля и не в самом центре мира, все же ее расстояние от этого центра ничтожно по сравнению с расстоянием от него до неподвижных звезд».

154

Это выражение употреблено в совсем другом контексте в книге Томаса Нагеля: Thomas Nagel, The View from Nowhere (Oxford: Clarendon Press, 1986).

155

Sheldon Glashow, “The Death of Science!?” in The End of Science? Attack and Defense, Richard J. Elvee, ed. (Lanham, Md.: University Press of America, 1992).

156

Hannah Arendt, The Human Condition (Chicago: University of Chicago Press, 1958). Изд. на русском языке: Арендт X. Vita activa, или О деятельной жизни / Пер. с нем. и англ. В. В. Бибихина; ред. Д. М. Носов. – СПб.: Алетейя, 2000.

157

Примерно в то же время Стивен сделал похожее утверждение публично в своей лекции «Гёдель и конец физики», прочитанной им на конференции Strings 2002 в Кембридже (Великобритания).

158

Под «поверхностью» Стивен понимал трехмерный срез четырехмерного пространства-времени. Строго говоря, «поверхность наших наблюдений» лежит точно внутри нашего светового конуса прошлого. Как приближение к этому, мы часто рассматриваем трехмерную пространственную Вселенную на некоторый момент времени.

159

Сольвеевские конгрессы существуют до сих пор и продолжают получать щедрую поддержку от семьи Сольвей.

160

Отто Штерн, цит. по: Abraham Pais, “Subtle Is the Lord—”: The Science and the Life of Albert Einstein (Oxford: Oxford University Press, 1982). Изд. на русском языке: Пайс А. Научная деятельность и жизнь Альберта Эйнштейна / Пер. В. Мацарского и О. Мацарского. – М.: Наука, 1989.

161

Albert Einstein, “Autobiographical Notes,” in Albert Einstein, Philosopher-Scientist. Ed. Paul Arthur Schilpp (Evanston, Ill.: Library of Living Philosophers, 1949). Изд. на русском языке: Альберт Эйнштейн, Автобиографические заметки / Собрание научных трудов: В 4 т. [Перевод] / Под ред. И. Е. Тамма [и др.]. – М.: Наука, 1965–1967. – Том 4. С. 259–263.

162

Эйнштейн, письмо к Максу Борну от 4 декабря 1926 г. В кн.: The Born-Einstein Letters, A. Einstein, M. Born, and H. Born, (New York: Macmillan, 1971), 90.

163

Цит. По: J.W.N. Sullivan, The Limitations of Science (New York: New American Library, 1949), 141.

164

Hugh Everett III, “The Many-Worlds Interpretation of Quantum Mechanics” (PhD diss., Princeton University, 1957).

165

Bruno de Finetti, Theory of Probability, vol. 1 (New York: John Wiley and Sons, 1974).

166

John A. Wheeler, “Assessment of Everett’s ‘Relative State’ Formulation of Quantum Theory” // Reviews of Modern Physics 29, no. 3 (1957): 463–65.

167

John A. Wheeler, “Genesis and Observership,” in Foundational Problems in the Special Sciences. Eds. Robert E. Butts and Jaakkob Hintikka (Dordrecht; Boston: D. Reidel, 1977).

168

John A. Wheeler, “Frontiers of Time,” in Problems in the Foundations of Physics, Proceedings of the International School of Physics “Enrico Fermi”. Ed. G. Toraldo di Francia (Amsterdam; New York: North-Holland Pub. Co., 1979), 1–222.

169

Wheeler, “Frontiers of Time.”

170

Я считаю нашу статью: S. W. Hawking and Thomas Hertog, “Populating the Landscape: A Top-Down Approach”, Physical Review D 73 (2006): 123527 – завершением первой стадии развития «нисходящей» космологии. Впервые мы употребили термин «нисходящая космология» (или «космология сверху вниз») в публикации S. W. Hawking and Thomas Hertog, “Why Does Inflation Start at the Top of the Hill?” // Physical Review D 66 (2002): 123509; это, однако, было задолго до того, как мы пришли к какому-то согласованному применению этой идеи.

171

В этом пункте нисходящая космология перекликается с Дираком (см. примечание 10 к гл. 5) и, как мы вскоре увидим, с Леметром.

172

James B. Hartle, S. W. Hawking, and Thomas Hertog, “The No-Boundary Measure of the Universe” // Physical Review Letters 100, no. 20 (2008): 201301.

173

Любопытно, что Дарвин, по всей видимости, был не склонен обсуждать происхождение жизни. В 1863 году в письме к своему другу Джозефу Дальтону Хукеру он высказывает мнение, что рассуждения о происхождении жизни – «просто чушь» (mere rubbish thinking) и что «мы с таким же успехом можем рассуждать о происхождении материи». Сегодня мы именно этим и занимаемся.

174

Космология «сверху вниз» обходит трудность с парадоксальной потерей предсказуемости мультивселенной, так как благодаря ее квантовым корням эта теория предсказывает относительные вероятности различных волновых фрагментов. Когда квантовые космологи говорят, что два свойства Вселенной коррелируют, они подразумевают высокую вероятность волновых фрагментов, в которых оба этих свойства возникают в процессе космологической эволюции. Мы подробно рассматриваем вопрос о предсказаниях «сверху вниз» в работе Local Observations in Eternal Inflation («Локальные наблюдения в условиях вечной инфляции»). См.: James B. Harle, S. W. Hawking, and Thomas Hertog, Physical Review Letters 106 (2021): 141302. Помню, как Стивен пришел в ярость, когда журнал Physical Review Letters заставил нас изменить название нашей статьи – ему очень нравилось первоначальное название рукописи, «Вечная инфляция без метафизики». Оно отражало крепнущее убеждение Стивена, что мультивселенная, в которой происходит вечная инфляция, несовместима с правильным квантовым взглядом на Вселенную.

175

Среди физиков, которые внесли важный вклад в дальнейшее развитие эвереттовской квантовой механики, – Роберт Гриффитс и Роланд Омнес, а также Эрих Йос, Дитер Зех и Войцех Журек.

176

В квантовой механике декогеретнтных историй различаются «мелкозернистые» и «крупнозернистые» истории системы. «Мелкозернистые» истории описывают все возможные пути системы – будь это отдельная частица, живой организм или Вселенная в целом – прослеженные в мельчайших деталях. Однако такой высочайший уровень детализации также означает, что «мелкозернистые» истории не декогерируют друг с другом и, следовательно, сами по себе мало что значат. Тогда на сцену выходят «крупнозернистые» истории, или «мелкозернистые» истории, которые, так сказать, помещены в одну «упаковку», образуя единую («крупнозернистую») историю. «Крупнозернистые» истории, которые не принимают в расчет подробностей эволюции системы, декогерируют друг с другом и таким образом обладают независимым существованием – например, значимыми вероятностями. Но что представляют собой «мелкозернистые» истории, которые должны быть собраны в одну упаковку? Иначе говоря, что собой представляет коллекция «крупнозернистых» историй, которую мы получим о итоге? Это определяется особенностями системы, которую мы хотим описать или предсказать. То есть уровень «крупнозернистости» в конечном счете связан с вопросами, которые мы задаем системе. Это и есть путь, которым квантовая механика декогерентных историй интегрирует в себя наблюдение.

177

Lemaître, “Primaeval Atom Hypothesis”.

178

Charles W. Misner, Kip S. Thorne, and Wojciech H. Zurek, “John Wheeler, Relativity, and Quantum Information” // Physics Today (April 2009): 40–50.

179

Работа над статьей «О дивный браны мир» (Brane New World) началась весной 1999 года, когда Стивен вернулся в Кембридж из США. Он вкатился в комнату в своем кресле и тут же объявил: есть срочная тема для статьи, она будет называться Brane New World – перифраза слов Миранды из шекспировской «Бури» о «прекрасном новом мире» (brave new world). О чем, собственно, должна быть статья, никто из нас тогда не понял. Ключевым вопросом в те времена было, могут ли мембранообразные вселенные с невидимым четвертым пространственным измерением возникать в ходе некоторой разновидности Большого взрыва. В статье «О дивный браны мир», которую мы напечатали в Physical Review D 62 (2000) 043501, и было окончательно доказано, что в рамках предложения Стивена об отсутствии границы при рождении Вселенной такие миры-(мем)браны могут обретать существование из ничего, в процессе квантового творения. Более того, мы обнаружили, что дополнительное, перпендикулярное мембране измерение, хотя мы и не можем его непосредственно наблюдать, может оставлять крайне слабый отпечаток в флюктуациях космического микроволнового фона внутри мембраны. А это давало надежду, что в один прекрасный день нам, возможно, и удастся непосредственно выяснить, живем ли мы в мире браны.

180

Стивен часто включал в свои книги материалы своих последних исследований. Его созданная в 1983 году теория отсутствия границы стала главным научным сюжетом «Краткой истории времени», а наши первые идеи «нисходящего» подхода отразились в вышедшем в 2010 году «Великом замысле». Статья «О дивный браны мир» вдохновила последнюю главу «Вселенной в двух словах», где Стивен уподобил рождение мембрановидных вселенных появлению пузырьков пара в кипящей воде. Эти постоянные переходы от исследований к популяризации науки и обратно были основой его деятельности как ученого; мне кажется, они отражают его твердое убеждение, что наука, в том числе и ее новейшие прозрения и самые передовые достижения, должна быть частью нашей культуры – если целью последней ставить изменение мира к лучшему. Все это объясняет, почему я ни капли не был удивлен, когда незадолго до своей кончины Стивен сказал мне, что пришло время для новой книги – этой книги.

181

S. W. Hawking and Thomas Hertog, “A Smooth Exit from Eternal Inflation?” // Journal of High Energy Physics 4 (2018): 147.

182

Это не единственная формула, которую можно найти в Вестминстере. В притворе Вестминстерского аббатства близ могилы Ньютона установлена надгробная плита Поля Дирака. В надпись на ней включено уравнение Дирака, iγ ·∂ψ = mψ, которое описывает квантовое поведение электрона. Как-то раз, когда мы были в аббатстве со Стивеном, он не мог удержаться от замечания: «По всей видимости, Бог был чистым математиком».

183

Термин «угловой момент» устарел, сейчас вместо него используется термин «момент импульса». – Примеч. науч. ред.

184

Есть и третья характеристика черной дыры – электрический заряд. – Примеч. науч. ред.

185

S. W. Hawking, “Breakdown of Predictability in Gravitational Collapse” // Physical Review D 14 (1976): 2460.

186

Можно было бы, конечно, подумать, что полуклассические методы Хокинга не приспособлены для анализа путей ухода информации из испаряющейся черной дыры. В конце концов, черные дыры содержат сингулярности, в которых полуклассическая теория не работает. Однако Дон Пейдж из университета Альберты выяснил, что загадка информации касается не столько того, что происходит в черной дыре в самом конце ее жизни, когда в игру, несомненно, вступает сингулярность, а скорее того, что случается на долгом пути к этому моменту. Пейдж предложил свой собственный мысленный эксперимент, в котором исследовал общее количество квантовой запутанности между внутренностью черной дыры и излучением Хокинга снаружи нее. Это количество выражается величиной, называемой энтропией запутанности – квантовой версией энтропии, введенной математиком Джоном фон Нейманом для измерения недостатка информации о точной волновой функции квантовой системы. В начале процесса испарения энтропия запутанности очевидно равна нулю, так как черная дыра еще не успела испустить никакого излучения, с которым можно было бы запутаться. По мере испускания излучения Хокинга энтропия запутанности между дырой и излучением растет – испущенные частицы запутаны со своими частицами-партнерами за горизонтом событий. Пейдж доказывал, что, если информация должна сохраняться, этот тренд в некоторой точке должен смениться на противоположный, чтобы энтропия запутанности в конце, когда никакой черной дыры больше нет, снова стала нулевой. Он заключил, что с течением времени энтропия запутанности должна меняться по кривой, форма которой напоминает перевернутое V, точка перелома которой находится примерно на полпути процесса испарения. Так как в этой точке черная дыра все еще имеет большие размеры, полуклассический подход Стивена должен оставаться применимым – с чего бы ему не работать в области с относительно низкой кривизной вблизи горизонта большой черной дыры. Однако в полуклассических вычислениях Хокинга нет ничего, что может заставить кривую энтропии запутанности изогнуться книзу. Согласно Хокингу, энтропия запутанности все время растет. И этот ее рост делает парадокс еще более острым. Предположение, что гипотетические эффекты квантовой гравитации внезапно выводят всю информацию из черной дыры наружу непосредственно перед ее исчезновением, выглядит гораздо менее приемлемым. Сделанное Пейджем усовершенствование мысленного эксперимента Хокинга показывает, что информационная проблема черной дыры представляет собой внутренний парадокс полуклассического описания гравитации. Свой анализ Пейдж опубликовал в статье: D. Page, Average entropy of a subsystem // Physical Review Letters 71 (1993): 1291.

187

S. W. Hawking, “Black Holes Ain’t as Black as They Are Painted” / The Reith Lectures, BBC, 2015.

188

Edward Witten, “Duality, Spacetime and Quantum Mechanics” // Physics Today 50, 5, 28 (1997).

189

Малдасена пришел к своей идее голографического дуализма, рассматривая под двумя разными углами зрения свойства плотно уложенного набора трехмерных мембран, которые теоретики называют трибранами. Ранее блестящий теоретик Джо Полчински уже понял, что в М-теории такие браны представляют собой особые локусы, к которым привязаны концевые точки струн, образующих «частицы» материи. Струны могут свободно проходить сквозь браны, но не могут их покидать. Единственное исключение из этого правила составляют струны, ответственные за тяготение, так как они представляют собой замкнутые петли без концевых точек; браны не могут захватить их в ловушку. Физически это означает, что в теории струн гравитация с необходимостью стекает с бран, распространяясь во всех пространственных измерениях, тогда как вещество может оставаться заключенным в бранах. Далее, с одной точки зрения, внутренней, которая рассматривает динамику струн, движущихся сквозь браны, Малдасена увидел, что стопка трибран описывается квантовой теорией поля в трех пространственных измерениях – тех самых, что и образуют трибраны. Но затем Малдасена рассмотрел ту же самую стопку трибран с внешней точки зрения, чтобы понять, как стопка в целом влияет на свое окружение. С этой позиции Малдасена нашел, что стопка по сути представляет собой гравитирующую систему. У бран есть масса и энергия, и следовательно, они изгибают пространство-время в своей окрестности. Более того, искривленное пространство-время, порожденное бранами, как выясняется, распространяется в дополнительном направлении, ортогональном бранам с формой AdS-пространства. Эти две перспективы выглядят радикально различными. Однако, рассуждал Малдасена, так как они описывают одну и ту же физическую систему, в конечном счете они должны оказаться одним и тем же – другими словами, быть дуальными друг другу. Таким образом, Малдасена пришел к голографическому дуализму, связывающему тяготение и теорию струн в искривленном AdS-пространстве с квантовой теорией поля (QFT) на граничной поверхности. Свой поразительный результат Малдасена опубликовал в статье “The Large N limit of superconformal field theories and supergravity”// Advances in Theoretical and Mathematical Physics 2 (1998), 231–52.

190

Общая идея, что гравитационная сторона голографического дуализма включает суммирование по внутренним геометриям, восходит к ранним временам дуализма. Когда Виттен впервые предположил, что черная дыра в AdS-вселенной имеет дуальное описание в терминах горячего облака кварков и глюонов, движущихся в пограничном мире, он также отметил, что в его вычислениях существует и вторая внутренняя геометрия без присутствия черной дыры. Пока кварковый «суп» горячий, внутренняя область без черной дыры незаметна; ее амплитуда в волновой функции пренебрежимо мала. Но когда Виттен понизил температуру «супа» (в рамках своего мысленного эксперимента!), он отметил, что состав изменился – кварки стали сбиваться в группы и образовывать тесно связанные составные частицы вроде протонов или нейтронов. С точки зрения тяготения этот переход от горячего к холодному соответствует тому, что геометрия внутренней области без черной дыры начинает доминировать над внутренней геометрией с черной дырой. Таким образом, в зависимости от изменения температуры частиц «супа» на граничной поверхности на первый план выходит либо одна, либо другая геометрия внутренней области – живая иллюстрация фейнмановской суперпозиции пространства-времени. Свое исследование Виттен опубликовал в статье “Anti-de Sitter space, thermal phase transition, and confinement in gauge theories”// Advances in Theoretical and Mathematical Physics 2 (1998), 253.

191

S. W. Hawking, “Information Loss in Black Holes” // Physical Review D 72 (2005): 084013.

192

Geoffrey Penington, “Entanglement Wedge Reconstruction and the Information Paradox,” Journal of High-Energy Physics 09 (2020) 002; Geoff Penington, Stephen H. Shenker, Douglas Stanford, “Replica wormholes and the black hole interior” // JHEP 03 (2022) 205; Ahmed Almheiri, Netta Engelhardt, Donald Marolf, Henry Maxfield, “The entropy of bulk quantum fields and the entanglement wedge of an evaporating black hole” // JHEP 12 (2019) 063.

193

Рисунок взят из работы Уилера: John Archibald Wheeler, “Geons” // Physical Review 97 (1955): 511–36.

194

Эмерджентность (от англ. emergent – «возникающий, неожиданно появляющийся») – наличие у системы свойств, не присущих ее компонентам по отдельности; несводимость свойств системы к сумме свойств ее компонентов. – Примеч. пер.

195

Стивен Хокинг страдал боковым амиотрофическим склерозом (БАС, ALS) – хроническим дегенеративным заболеванием центральной нервной системы. При БАС пациенты страдают прогрессирующим параличом мышц; позже появляются трудности с глотанием, речью и дыханием. – Примеч. пер.

196

На протяжении многих лет многочисленные теоретики вносили свой вклад в развитие голографического дуализма в расширяющихся вселенных, таких как пространство де Ситтера; эти коллективные усилия продолжаются и по сей день. Первые опубликованные соображения по поводу дуализма dS – QFT относятся еще к началу 2000-х; это работы Эндрю Строминджера, Виджая Баласубраманьяна, Яна де Боера и Джорджа Минича. Взгляд на этот дуализм с точки зрения универсальной волновой функции был впервые развит в пионерских работах Малдасены (J. Maldacena, “Non-Gaussian features of primordial fluctuations in single field inflationary models” // Journal of High-Energy Physics 05 (2003): 013), Хартла и Хертога (J. Hartle, T. Hertog, “Holographic No-Boundary Measure” // Journal of High-Energy Physics 05 (2012): 095), Дионисиоса Анниноса, Фредерика Денефа и Дэниэла Харлоу (D. Anninos, F. Denef and D. Harlow “Wave function of Vasiliev’s universe: A few slices thereof ” // Physical Review D 88 (2013) 084049).

197

Georges Lemaître, “The Beginning of the World from the Point of View of Quantum Theory”.

198

Досл.: «Это из бита» (англ.).

199

John Archibald Wheeler, “Information, Physics, Quantum: The Search for Links,” in Proceedings of the 3rd International Symposium on Foundations of Quantum Mechanics. Ed. Shun’ichi Kobayashi (Tokyo: Physical Society of Japan, 1990), 354–58.

200

Волна при отсутствии границы обращается в нуль на дне чашеобразных геометрий, описывающих происхождение Вселенной. Когда Джим и Стивен впервые предложили свою теорию, это было одним из ее определяющих свойств. Голография дает теоретико-информационную интерпретацию этой особенности.

201

Стивен ссылался на философский принцип, часто приписываемый английскому философу XIII столетия Уильяму из Оккама: «Сущностей не следует умножать без необходимости».

202

S. W. Hawking, “The Origin of the Universe,” in Proceedings of the Plenary Session, 25–29 November 2016. Eds. W. Arber, J. von Braun, and M. Sánchez Sorondo (Vatican City, 2020), Acta 24.

203

Это эссе Арендт перекликается с прологом и последующей частью ее труда «Ситуация человека». Оно было воспроизведено с незначительными изменениями во втором издании ее книги Between Past and Future: Eight Exercises on Political Thought (New York: Viking Press, 1968). Изд. на русском языке: Арендт Х. Между прошлым и будущим: Восемь упражнений в политической мысли [сборник философских эссе] / Пер. с англ. и нем. Д. Аронсона. – М.: Изд-во Института Гайдара, 2014.

204

С одной стороны, рассуждает Арендт, человек – существо земное: он рожден в этот мир, предоставлен своей судьбе и постоянно сталкивается с действием факторов, которыми управлять не может. С другой стороны, человек – мастер и творец, способный до некоторой степени преобразовывать мир. По мысли Арендт, зерно человеческой свободы заключено в слиянии этих двух состязающихся сил.

205

Werner Heisenberg, The Physicist’s Conception of Nature, 1st American ed. (New York: Harcourt, Brace, 1958). Изд. на русском языке: Гейзенберг В. Картина природы в современной физике / Гейзенберг В. Избранные философские работы. Шаги за горизонт: Часть и целое (беседы вокруг атомной физики) / Пер. с нем. А. В. Ахутина, В. В. Бибихина. – СПб.: Наука, 2006.

206

Здесь и далее см.: Арендт Х. Между прошлым и будущим: Восемь упражнений в политической мысли [сборник философских эссе] / Пер. с англ. и нем. Д. Аронсона. – М.: Изд-во Института Гайдара, 2014.

207

«До бесконечности» (лат.).

208

Из того, что написали на эту тему такие первопроходцы, как Дирак или Леметр, трудно понять, воспринимали ли уже и они происхождение Вселенной в качестве некоего эпистемологического предела. Однако вскоре после того, как рукопись этой книги была завершена, в архиве фламандской радиовещательной компании VRT обнаружилось считавшееся давно утраченным интервью, данное Леметром в 1964 году Жерому Ферхахэ. В нем Леметр говорит о своей высказанной в 1931 году гипотезе первичного атома и останавливается именно на этом моменте. Он вполне ясно формулирует мысль о том, что «атом», как он его понимает, олицетворяет собой не просто начало времени, но более фундаментальный акт происхождения, недосягаемый для мысли – «непостижимное Начало, имевшее место непосредственно перед Физикой».

209

Применяя вычислительные алгоритмы, мы можем сжать данные и разместить их в более коротком сообщении. Возьмем, к примеру, орбиты планет. Мы можем описать их, определив положения и импульсы всех планет на ряд моментов времени. Но это сообщение допускает сжатие до задания положений и импульсов на какой-либо один момент времени в сочетании с ньютоновыми уравнениями движения. Более того, данные многих различных гравитирующих систем можно сжать до сообщения, включающего в себя те же уравнения движения. Именно это и придает уравнениям Ньютона их универсальный, имеющий вид закона характер. Совсем другое дело, однако, наделять эти уравнения независимым объективным существованием, перекрывающим существование космоса.

210

В общей схеме квантовой космологии различие между уровнями эволюции не носит фундаментального характера, но возникает из того, что мы фокусируемся на различных видах ветвлений универсальной волновой функции. Более высокие уровни эволюции связаны с вопросами, зависящими не только от волновой функции, но и от конкретных исходов процессов ветвления, ведущих к тому или иному уровню. К примеру, чтобы изучать абиогенез, происходивший на Земле четыре миллиарда лет назад, мы задаем универсальной волновой функции химические вопросы. Следовательно, мы фокусируемся на ветвлениях, связанных с этим уровнем. Чтобы сделать это, мы должны вдобавок к модели самой волновой функции учесть исходы более низких уровней космологической, астрофизической и ранней геологической эволюции.

211

Есть другой вариант написания фамилии на русском – «Валлих». – Примеч. науч. ред.

212

S. W. Hawking, “Gödel and the End of Physics”.

213

CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats) – короткие палиндромные повторы, регулярно расположенные группами. Инструмент генной инженерии, особые фрагменты ДНК бактерий, состоящие из прямых повторяющихся последовательностей, разделенных уникальными последовательностями (спейсерами). – Примеч. пер.

214

Robbert Dijkgraaf, “Contemplating the End of Physics” // Quanta Magazine (November 2020).

215

Чтобы поддержать хоть какой-то градус оптимизма, надо предположить существование особо маловероятных постэволюционных шагов. Темп звездообразования и обилие экзопланет у других звезд показывают, что, по всей вероятности, физические условия в окружающей Вселенной не образуют какого-то серьезного «бутылочного горлышка». В этом снова проявляется дружелюбный к жизни характер физических законов. Примечательно, однако, что некоторые этапы биологической эволюции остаются неопределенными. Эволюционные биологи идентифицировали примерно семь жестких, делающихся методом проб и ошибок шагов, которые можно считать вероятными кандидатами в «бутылочные горлышки» на пути к вечно развивающейся жизни. Среди них: абиогенез, образование сложных эукариотических клеток, половое размножение, многоклеточная жизнь и возникновение разума. В течение следующего десятилетия из результатов марсианских миссий и наблюдений атмосфер экзопланет мы, скорее всего, узнаем больше о вероятности некоторых из этих переходов. Если ученые найдут многоклеточные организмы на Марсе (конечно, при условии, что они развились независимо от земных) или признаки примитивной жизни в химическом составе экзопланетных атмосфер, эти открытия позволят исключить в нашем прошлом некоторые из перечисленных кандидатов в маловероятные переходы, тем самым еще более обострив парадокс Ферми.

Content

Томас Хертог
О происхождении времени
Последняя теория Стивена Хокинга

От автора

Предисловие

Глава 1 Парадокс

Глава 2 День, у которого не было «вчера»

Глава 3 Космогенезис

Глава 4 Пепел и дым

Глава 5 Затерянные в мультивселенной

Глава 6 Нет вопроса? Нет и истории!

Глава 7 Время без времени

Глава 8 Дома во Вселенной

Благодарности

Библиография

Источники иллюстраций

Примечания